ES2955329T3

ES2955329T3 - Espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables, industrialmente compostables y reciclables

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Publication number: ES2955329T3
Application number: ES20808870T
Authority: ES
Inventors: Robert Falken
Original assignee: O2 Partners LLC
Current assignee: O2 Partners LLC
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2023-11-30
Anticipated expiration: 2040-05-18
Also published as: EP4223495A2; AU2020279714A1; JP2022543726A; CN114072276A; MX2021014143A; KR102611165B1; KR20230170133A; WO2020236756A1; PT3972824T; BR112021023192A2; EP4223495A3; EP3972824B1; AU2020279714B2; EP3972824A4; JP2024038117A; KR20220012287A; JP7458420B2; EP3972824A1

Abstract

Este documento describe un proceso para fabricar espumas microcelulares moldeadas por inyección reciclables para su uso en componentes de calzado, componentes de asientos, componentes de equipos de protección y accesorios para deportes acuáticos. El proceso incluye las etapas de proporcionar un polímero termoplástico que comprende al menos un monómero derivado de plástico posconsumo despolimerizado, insertando un fluido en un cilindro de un aparato de moldeo. El fluido se introduce en condiciones de temperatura y presión para producir un fluido supercrítico. El proceso incluye además mezclar el polímero termoplástico y el fluido supercrítico para crear una solución monofásica e inyectar la solución monofásica en un molde de una máquina de moldeo por inyección bajo contrapresión de gas. El proceso incluye además formar espuma en la solución monofásica controlando las condiciones de altura y temperatura dentro del molde. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables, industrialmente compostables y reciclables

Referencia cruzada con solicitudes relacionadas

Esta solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos número 62/853,805, titulada "RECYCLABLE AND CHEMICAL-FREE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME", y presentada el 29 de mayo de 2019, y es una continuación en parte de la solicitud de patente con serial número 16/418,968, presentada el 21 de mayo de 2019 titulada "BIODEGRADABLE AND INDUSTRIALLY COMPOSTABLE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME", que reivindica la prioridad y el beneficio de la solicitud de patente provisional de los Estados Unidos número 62/674,544, titulada "BIODEGRADABLE AND INDUSTRIALLY COMPOSTABLE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME", y presentada el 21 de mayo de 2018.

Antecedentes

La presente divulgación se refiere a un proceso para la formación de espuma de microceldas moldeada por inyección de diversas composiciones de espuma flexible a partir de polímeros termoplásticos de origen biológico reciclables o biodegradables, industrialmente compostables para su uso en, por ejemplo, componentes de calzado, componentes de asientos, componentes de equipos de protección y accesorios para deportes acuáticos.

La degradación a través del compostaje es un proceso importante para renovar los recursos utilizados en la producción de bienes manufacturados. Sin embargo, cuando esos productos manufacturados involucran espuma, la descomposición puede ser problemática. Particularmente, existen varias desventajas de los métodos conocidos convencionalmente de fabricación de espuma flexible. Por ejemplo, tales desventajas incluyen la selección y el uso de polímeros no renovables, agentes químicos de expansión y aditivos químicos que, como se emplean en la industria de fabricación de espumas y los procedimientos de procesamiento inherentes, normalmente no se biodegradan, y que generalmente se consideran malos para el medio ambiente. Esta falta de biodegradación significa que muchos materiales de espuma flexible convencionales y los productos que los contienen terminan en vertederos durante décadas o siglos.

Esto también es problemático porque el uso excesivo de vertederos en el mundo actual tiene un impacto negativo directo tanto en el medio ambiente como en la economía. Por ejemplo, los vertederos son la tercera fuente más grande de emisiones de metano en los Estados Unidos. Además, los polímeros y productos químicos no biodegradables mencionados anteriormente utilizados en las espumas flexibles convencionales se derivan particularmente de recursos no renovables.

Estos materiales no son naturalmente renovables, como es el caso de las materias primas derivadas biológicamente y, por lo tanto, su mera creación es una pérdida neta para el medio ambiente, ya que sus materiales a menudo se toman, usan y luego desechan de manera no sostenible. Además, incluso si se seleccionaran polímeros renovables para su uso en el método convencionalmente conocido de fabricación de espuma flexible, los agentes químicos de expansión y el entrecruzamiento de esos métodos probablemente contaminarían el polímero renovable con aditivos que no se biodegradan ni se convierten en abono. Por lo tanto, haría una ganancia de suma cero. Más aún, el entrecruzamiento del biopolímero también probablemente evitaría cualquier solución adecuada para el final de la vida útil para la biodegradación o el compostaje, ya que los componentes precursores no podrían separarse, lo que daría como resultado una mayor generación de desechos y más material que iría al vertedero.

En consecuencia, aunque el compostaje y el reciclaje son procesos importantes para lograr un futuro renovable y sostenible, su integración en la industria manufacturera es muy limitada. Sin embargo, sería muy útil, por ejemplo, para el medio ambiente, si los materiales fabricados pudieran convertirse en compostables. Por ejemplo, el compostaje y la biodegradación de materiales de espuma flexible crea una oportunidad de eliminación de desechos que representa un beneficio neto para el medio ambiente y la economía. Por ejemplo, al compostar estos materiales, sería posible reducir la cantidad total de desechos que se envían a vertederos e incineradores de quema masivos.

Además de reducir los desechos, el proceso de compostaje también crearía un producto útil que es rico en nutrientes y podría usarse para enmendar suelos pobres para cultivar alimentos o para fertilizar jardines. En consecuencia, la noción misma de compostaje y biodegradación de espumas flexibles, por novedosa que sea, puede revolucionar toda la cadena de valor manteniendo los principios de la llamada economía circular. Hay dos formas típicas de compostaje: compostaje industrial y compostaje doméstico. Ambas metodologías de compostaje tienen ventajas y desventajas.

El compostaje industrial es una forma de compostaje a gran escala que está diseñado para manejar un volumen muy alto de desechos orgánicos. Se lleva a cabo en instalaciones a gran escala a temperaturas entre 50° y 60° C. El compostaje doméstico es una forma de compostaje que maneja los desechos orgánicos de un hogar. En particular, el compostaje en el hogar se refiere al compostaje a temperaturas relativamente más bajas, como las que se encuentran en un montón de compost en el patio trasero en el hogar, de ahí el título "hogar". A diferencia del compostaje industrial, el compostaje doméstico implica una descomposición aeróbica más fría de material orgánico o desechos, por ejemplo recortes de jardín, restos de cocina, virutas de madera, cartón y papel. Los volúmenes tratados en el compostaje doméstico son considerablemente menores que en el compostaje industrial y el compost suele utilizarse en jardines privados. Este proceso normalmente se lleva a cabo en pilas y compostadores de pequeña escala. En este método, las temperaturas se encuentran típicamente en los intervalos psicrofílico (0 - 20 °C) a mesofílico (20 - 45 °C) (explicado a continuación). En consecuencia, existen diferentes tecnologías, pero el procesamiento general es el mismo: un proceso controlado de compostaje activo seguido de curado.

La fase de compostaje activo suele durar al menos 21 días. En estas condiciones, los microorganismos crecen sobre los desechos orgánicos, descomponiéndolos hasta CO2 y agua, usándolos como nutriente. Durante el compostaje, los residuos orgánicos se acumulan en montones y, como resultado, parte de la energía del compostaje se libera en forma de calor. Cuando la temperatura de la pila de compostaje aumenta, las poblaciones microbianas cambian: los microbios adaptados a la temperatura ambiente, por ejemplo, los mesófilos, detienen su actividad, mueren y son reemplazados por microbios adaptados a vivir a altas temperaturas, por ejemplo, los termófilos. A efectos de higienización, para el compostaje doméstico, se deben mantener temperaturas superiores a los 60° C durante al menos una semana, con el fin de eliminar los microorganismos patógenos. Por el contrario, la fase de curado del compostaje industrial reduce la tasa de descomposición a un ritmo constante, y el compost madura a temperaturas en el intervalo mesófilo inferior de menos de 40 °C.

Un problema principal con el compostaje industrial es que las materias primas de entrada deben eliminarse de manera adecuada para que se procesen de manera efectiva. Es decir, los desafíos logísticos son un obstáculo, ya que se requiere una recolección, clasificación y transporte adecuados a una instalación de compostaje industrial. La tasa de desvío combinada de compostaje y reciclaje de los Estados Unidos es de aproximadamente el 35%, lo que indica que la sociedad tiene un largo camino por recorrer antes de que la gran mayoría de la infraestructura esté "cerrando el círculo" en el desvío de desechos. Un método para superar este déficit es educar mejor al usuario final y establecer una red localizada de esquemas de devolución que alimentan esquemas de devolución más grandes. El objetivo es desarrollar una comodidad y accesibilidad suficientes para que el compostaje industrial se normalice y esté siempre presente en la vida diaria.

Del mismo modo, una desventaja frecuente en el compostaje doméstico es la cantidad de esfuerzo que implica. Todos los materiales necesarios para la alimentación del compost deben transportarse y/o transferirse a la pila de compost. Una vez que la pila de compost es lo suficientemente grande como para comenzar a generar energía y, por lo tanto, calor, debe girarse para que la descomposición sea más rápida y completa, lo que puede ser un trabajo extenuante. Cuando la materia orgánica está lo suficientemente descompuesta, el abono casero debe retirarse para usarlo como enmienda del suelo. Otro inconveniente del compostaje doméstico es la cantidad limitada de compost utilizable que la persona promedio puede generar en un entorno doméstico. La cantidad limitada de compost generado potencialmente da lugar a un uso limitado y, por lo tanto, la motivación de la persona promedio para comprometerse con el esfuerzo del compostaje doméstico puede ser baja.

Debido a estos inconvenientes, tradicionalmente, la industria manufacturera ha evitado el uso de materias primas e ingredientes precursores con potencial de biodegradación o compostaje. Además, esto se ha evitado tradicionalmente porque las propiedades de rendimiento técnico requeridas de estos materiales a menudo eran inferiores a las de la variedad convencional no biodegradable y no compostable. Por ejemplo, un factor limitante de algunos, pero no todos, los ingredientes precursores compostables puede ser la tendencia de estos ingredientes a descomponerse y/o degradarse antes del final de la vida útil del producto. Un ejemplo de esto sería un producto sensible a los rayos ultravioleta en el que el precursor biodegradable y compostable podría ser atacado y debilitado por la exposición repetida a la luz solar, lo que eventualmente podría provocar que el producto falle mucho antes de que el usuario final esté listo para desecharlo.

En el contexto de los plásticos, termoplásticos y otros productos creados con combustibles fósiles, el reciclaje convencionalmente implica triturar mecánicamente un producto fabricado, fundir el contenido triturado y luego peletizar el material resultante para su uso posterior en la fabricación. Aunque el reciclaje reduce la necesidad de combustibles fósiles y desvía los productos de los vertederos, el reciclaje puede provocar una pérdida de calidad en los polímeros reciclados como resultado de la contaminación o las impurezas añadidas a la materia prima, y la mayoría de los productos plásticos y termoplásticos solo se pueden reciclar una cantidad finita de veces. Además, los agentes de expansión químicos, los polímeros entrecruzados y los aditivos químicos utilizados en la fabricación de espumas flexibles convencionales dan como resultado productos finales que no pueden descomponerse en sus polímeros constituyentes para su uso posterior en la fabricación de un producto reciclado. En consecuencia, los productos de espuma flexible fabricados convencionalmente no son reciclables cuando el producto ha llegado al final de su vida útil.

Además, una preocupación actual para la fabricación moderna es ser neutro con respecto a las emisiones y los desechos, sostenible con respecto a los materiales que se utilizan en el proceso de fabricación y renovable con respecto al final de la vida útil del producto y sus materiales. Siendo así, la neutralidad, por ejemplo con respecto a la emisión de CO2, la emisión, además de la compostabilidad del producto final, se ha vuelto importante en la elección de los materiales apropiados para su uso en la fabricación de productos de bienes de consumo.

En consecuencia, es un impulsor clave para los procesos de fabricación actuales divulgados en el presente documento, en comparación con los procesos de fabricación más tradicionales actualmente presentes, es que los fabricantes producen productos finales respetuosos con el medio ambiente y, por lo tanto, es útil considerar cuidadosamente los materiales utilizados en la fabricación de dichos productos finales, y equilibrarlo con la vida útil prevista del producto. Un ejemplo de productos desafiantes durante la producción de los cuales estas preocupaciones deberían abordarse, pero no se abordan, son los productos fabricados en forma estándar que emplean espuma, por ejemplo en la producción de amortiguadores, por ejemplo para muebles, y/o productos de espuma, por ejemplo para la fabricación de zapatillas para correr.

Por ejemplo, las zapatillas para correr son un producto altamente técnico que está expuesto a abusos repetidos, tales como: impacto, abrasión y todo tipo de exposiciones ambientales durante períodos considerables de tiempo; quizás 1-3 años dependiendo de la frecuencia de uso. Al considerar materiales sostenibles para su uso en la fabricación de amortiguadores para muebles o para suelas, entresuelas y/o amortiguadores para plantillas de zapatillas para correr, es importante tener en cuenta los requisitos anteriores. Un material que no puede soportar el abuso repetido antes de fallar no produciría un par de zapatillas para correr satisfactorias. Además, cualquier material que tenga el potencial de descomponerse o debilitarse hasta el punto de fallar durante el uso regular del producto, antes del final de la vida útil prevista, no sería aceptable.

El documento US 2005/127579 A1 divulga un método de moldeo por inyección asistido por gas o el método de moldeo por inyección de expansión en el que se aplica presión de gas o presión de expansión sobre la mezcla de material de moldeo fundido en el molde, en la presente invención. Al aplicar estos métodos, la mezcla de material de moldeo fundido puede llenar el molde de manera uniforme y la tensión de contracción por enfriamiento puede absorberse en el hueco interior o en la estructura de espuma del artículo moldeado resultante.

Resumen

Para resolver este problema, se deben buscar materiales especializados con el equilibrio adecuado entre las propiedades de rendimiento técnico y los aspectos de sostenibilidad, como la compostabilidad con una solución gestionada al final de su vida útil, que es netamente neutral (o negativa) con respecto a las emisiones nocivas. En particular, dado que la amortiguación de los muebles es voluminosa y las zapatillas para correr son un producto exigente, los materiales de compostaje doméstico no serían una solución adecuada para usar en su fabricación, ya que las temperaturas de descomposición más bajas se traducirían en muebles o zapatillas para correr que serían propensos a despedazarse mucho antes de su final de vida previsto. En este ejemplo, los materiales que se convierten en compost industrial son una opción mucho mejor, ya que pueden manejar desafíos de temperatura más alta y ofrecen propiedades de rendimiento técnico superiores casi iguales o iguales a sus contrapartes no biodegradables y no industrialmente compostables. Esencialmente, los muebles o un par de zapatillas para correr fabricados con materiales industrialmente compostables funcionarían muy bien durante la vida útil del producto, y solo al final de la vida útil del producto los materiales tendrían la opción de ser dirigidos a entornos de compost industrial para desvío de residuos en "circuito cerrado".

En consecuencia, cuando sea posible, para reducir la huella destructiva que a menudo acompaña al proceso de fabricación, los materiales y procesos de fabricación deben formularse de tal manera que permitan el compostaje inmediato después del final de la vida útil del producto. Sin embargo, como se indicó anteriormente, esto es difícil porque hay muy pocos precursores biodegradables y compostables disponibles comercialmente. Los que existen no están necesariamente diseñados ni son capaces de resolver todos los desafíos combinados de rendimiento y usabilidad a largo plazo mientras se compostan y biodegradan fácilmente en un entorno controlado al final de su vida útil. Aquellos precursores que resuelven algunos de los desafíos antes mencionados, no logran resolver otros y esto conduce a la posibilidad de consternación en el consumidor y probablemente malas críticas de los productos que los contienen. A pesar de estos importantes inconvenientes, los materiales que pueden compostarse ya sea en una instalación industrial o en el hogar teóricamente serían productos de partida útiles en la fabricación renovable, sostenible y ecológica.

Otro aspecto de los procesos de fabricación actuales es con respecto a la producción de espumas flexibles. Las espumas flexibles son un tipo de objeto formado al atrapar bolsas de gas en un líquido o sólido, por lo que se dice que la espuma resultante es flexible debido en parte a su maleabilidad. Las espumas flexibles se utilizan normalmente en aplicaciones de amortiguación, tales como calzado, muebles, ropa de cama y otros artículos deportivos. Las espumas flexibles normalmente se dividen en dos categorías: espumas de polímero termoplástico flexibles de celda cerrada y espumas de poliuretano flexibles de celda abierta. Cada uno de estos tipos de espuma tiene métodos de fabricación muy diferentes.

Las espumas de polímero termoplástico flexible de celda cerrada se producen comúnmente en un proceso seco en el que se selecciona un polímero artificial adecuado y se mezcla con varios aditivos químicos, agente de entrecruzamiento y agente de expansión químico para producir una "masa", que luego se amasa y extruye en láminas planas. Luego, las láminas se apilan una encima de la otra y se colocan en una prensa calentada bajo presión controlada. Esta mezcla de materiales y el agente químico de expansión reaccionan y se expanden dentro de la cavidad de la prensa calentada. El resultado es un "bollo" o "bloque" de espuma flexible de celda cerrada que luego se corta en rodajas hasta un espesor determinado. Por el contrario, las espumas de poliuretano flexibles de celda abierta se producen comúnmente en un proceso de vertido de líquido o un proceso de moldeado de líquido en el que un químico de poliol artificial, un químico de isocianato y otros aditivos químicos reaccionan juntos mientras se vierten o se inyectan en una forma moldeada, por ejemplo un "bollo" o "bloque". El resultado es una espuma flexible de celda abierta que luego se corta hasta un espesor determinado.

De acuerdo con lo anterior, uno de los problemas con las espumas flexibles actualmente disponibles en el mercado es que utilizan casi exclusivamente materiales no renovables y productos químicos nocivos en su fabricación. Además, debido en parte al entrecruzamiento químico que tiene lugar en los métodos de fabricación de espumas flexibles convencionales descritos anteriormente, la estructura física de esas espumas flexibles no puede compostarse, biodegradarse ni reciclarse. Esto se debe en gran parte a las composiciones químicas de su diseño y su incapacidad para separarse nuevamente en sus constituyentes precursores de la raíz. Es decir, al final de la vida útil de las espumas flexibles convencionales, ya no tiene uso y no se puede reprocesar satisfactoriamente en material nuevo en ningún método comercialmente viable conocido.

En consecuencia, en vista de lo anterior, en el presente documento se presentan espumas flexibles y procesos de fabricación que pueden emplearse para producir productos finales que sean renovables, sostenibles y/o ambientalmente responsables, cuyos materiales y productos finales son capaces de un uso sostenido, sin descomposición, pero se degradan rápidamente y se convierten en abono después del final de su vida útil. Tanto las espumas flexibles como las semiflexibles pueden incluirse en la misma categoría de espumas flexibles, ya que ambas se derivan de polímeros con una transición vítrea (Tg) por debajo de su temperatura de servicio, que suele ser a temperatura ambiente. Los detalles de una o más realizaciones se exponen en la descripción adjunta a continuación y con respecto a las figuras presentadas y sus características. Otras características y ventajas serán evidentes tanto a partir de la descripción, como de las figuras y de las reivindicaciones.

Este documento presenta un proceso para la formación de espuma de microceldas en moldes de inyección modificados de diversas composiciones de espuma flexible a partir de resinas termoplásticas biodegradables e industrialmente compostables. En la actualidad, casi todas las espumas flexibles conocidas en el mundo se derivan de materias primas no renovables, y la mayoría, si no todas, no se biodegradan ni se compostan industrialmente. Es un objetivo de esta invención producir espumas flexibles que causen la menor cantidad de daño ambiental, pero que también presenten propiedades de rendimiento técnico significativas iguales o superiores a las de las espumas flexibles petroquímicas no biodegradables convencionales. Al seleccionar materias primas derivadas de plantas para producir biopolímeros, esta invención contribuye a secuestrar los gases de efecto invernadero de la atmósfera, reduce en gran medida la dependencia del petróleo no renovable y reduce significativamente los desechos no biodegradables que terminan en los vertederos cada año.

En varias realizaciones, las espumas flexibles producidas de este modo pueden configurarse para compostaje industrial, en lugar de compostaje doméstico, aunque es concebible que el compostaje doméstico pueda ser útil en algunos casos, dependiendo del mercado. En varios casos, el compostaje industrial es útil porque asegura que la espuma flexible durará la vida útil del producto resultante en el que se funcionaliza y no se romperá ni se desmoronará a mitad de uso dentro de los productos terminados. Por ejemplo, sería perjudicial para una persona comprar un par de zapatos fabricados con la espuma flexible de esta invención solo para que la espuma se degradara durante el uso normal antes del final de la vida útil del calzado.

Por consiguiente, en un aspecto, se puede proporcionar en el presente documento un proceso de fabricación de espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables, ya sea de celda abierta o de celda cerrada, y puede incluir uno o más de las siguientes etapas de: producir un lote maestro mezclado de biopolímero termoplástico para espumar; moldear por inyección la mezcla de biopolímeros termoplásticos en una forma de molde adecuada con gas nitrógeno inerte; usar el control dinámico de la temperatura del molde para asegurar la estructura de celda óptima; controlar la masa fundida, la presión y el tiempo del biopolímero de modo que se forme una espuma flexible deseable; y utilizar una contrapresión de gas en el proceso de moldeo por inyección para garantizar la estructura de espuma óptima con la menor cantidad de defectos estéticos y poca o ninguna superficie plástica en el exterior de la pieza espumada.

El proceso de fabricación de esta divulgación, junto con materias primas reciclables, renovables y derivadas biológicamente cuidadosamente seleccionadas, abre la puerta a un proceso de ciclo cerrado respetuoso con el medio ambiente. Este proceso de circuito cerrado comienza con la selección de materiales. Por ejemplo, la selección de una materia prima de polímero inerte y rápidamente renovable que es compostable certificada por terceros garantiza que se cumplan los principios de la economía circular. Para estos fines, las materias primas de polímeros rápidamente renovables seleccionadas comienzan su vida como una forma de materia vegetal o mineral renovable. Una vez convertidos en un polímero adecuado, estos precursores responsables con el medio ambiente pueden combinarse con otros precursores e ingredientes responsables con el medio ambiente, para su funcionalización en un compuesto de biopolímero hecho a medida que puede emplearse en los procesos de fabricación divulgados.

En particular, una vez que se crea el compuesto de biopolímero adecuado, se procesa en el método de fabricación libre de productos químicos de esta divulgación. Las espumas flexibles resultantes no están entrecruzadas y, en muchos casos, son biodegradables y compostables. En consecuencia, al final de su vida útil, estas espumas producidas se pueden triturar cuidadosamente en pedazos pequeños y compostar industrialmente en instalaciones calificadas para descomponer, por ejemplo, el 100 % de su composición nuevamente en biomasa utilizable. Esta biomasa utilizable se puede usar para cultivar más materia prima polimérica inerte y rápidamente renovable, y el proceso continúa en un ciclo sin fin. En consecuencia, este documento describe una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable y un método para fabricar la misma. La espuma puede ser una espuma de celda cerrada pero también puede formarse potencialmente como una espuma de celda abierta.

En diversas implementaciones, se puede fabricar una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable para que tenga propiedades y características idénticas a la espuma petroquímica convencional de acetato de vinilo y etileno (EVA) o similar, y aún así contener un alto porcentaje de contenido de carbono de biomasa. Por ejemplo, la espuma de EVA flexible es un material omnipresente utilizado en la industria actual. Lo que hace que la espuma de EVA sea tan predominante es su coste relativamente bajo y su facilidad de procesamiento, al mismo tiempo que mantiene propiedades de rendimiento técnico generalmente aceptables para un producto determinado. Las desventajas del uso de espuma de EVA son muchas. El material se deriva comúnmente de materias primas no renovables y se entrecruza químicamente con agentes químicos de expansión para producir una espuma flexible que no es fácilmente biodegradable, compostable o reciclable.

Existe una serie de configuraciones y realizaciones que pueden emplearse dependiendo de las propiedades físicas deseadas y el uso final previsto del producto, que no deberían estar limitadas por esta divulgación.

Un factor que hace que los avances presentados en el presente documento sean tan útiles es que las espumas biodegradables se comportan de manera similar a EVA y, por lo tanto, sus propiedades de rendimiento técnico son análogas a las de EVA sin los aditivos químicos ni el entrecruzamiento. El resultado es una espuma flexible comercialmente aceptable que puede ser un reemplazo inmediato del omnipresente EVA, pero que ofrece un impacto ambiental muy reducido y una solución administrada al final de su vida útil que es ambientalmente responsable.

En consecuencia, en un aspecto se proporciona un método para fabricar un producto moldeado de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable. En varios casos, el método puede incluir una o más de las siguientes etapas. Por ejemplo, el método puede incluir la introducción de una mezcla madre de biopolímero termoplástico para espumar en un barril de un aparato de moldeo. El método puede incluir además la introducción de un fluido en el barril en condiciones de temperatura y presión para producir un fluido supercrítico, que al entrar en contacto con el lote maestro mezclado con biopolímero termoplástico produce una masa fundida de espuma termoplástica. Además, el método puede incluir inyectar la masa fundida de espuma termoplástica en una cavidad con una forma de molde adecuada y aplicar una contrapresión de gas a la cavidad. Finalmente, la cavidad se puede enfriar para producir el producto moldeado.

En varios casos, la introducción de una o más mezclas maestras de biopolímeros termoplásticos se realiza a través de un casquillo de bebedero, como cuando la mezcla maestra de biopolímeros termoplásticos se produce mediante una extrusora de doble husillo. En una realización, el lote maestro combinado de biopolímero termoplástico incluye uno o más de ácido poliláctido (PLA), polihidroxialcanoato (PHA), acetato de celulosa (CA), almidón y un termoplástico derivado del petróleo. En varios casos, el fluido se introduce en el barril a través de una unidad dosificadora. En casos particulares, el fluido supercrítico incluye uno o más de nitrógeno y dióxido de carbono. El fluido supercrítico puede introducirse bajo presión y a una temperatura tal que la presión oscila entre unos 150 bar y unos 300 bar, y la temperatura oscila entre unos 150 °C y unos 350 °C. Asimismo, la contrapresión del gas varía de aproximadamente 5 bar a aproximadamente 50 bar aplicados durante un período de tiempo entre 1 segundo y 25 segundos. En ciertos casos, la temperatura puede controlarse mediante el control dinámico de la temperatura del molde.

Además, en otro aspecto, se proporciona un aparato de moldeo por inyección para producir un producto moldeado de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable. En varios casos, el aparato de moldeo por inyección puede incluir uno o más de los siguientes. Se puede incluir una tolva, por ejemplo cuando la tolva está configurada para recibir e introducir una pluralidad de biopolímeros termoplásticos en el aparato de moldeo, por ejemplo cuando los biopolímeros termoplásticos forman un lote maestro para mezclar.

Puede incluirse una unidad dosificadora, por ejemplo cuando la unidad dosificadora está configurada para recibir un fluido e introducir el fluido recibido en el aparato de moldeo en condiciones para producir un fluido supercrítico tras dicha introducción. El aparato de moldeo puede incluir un barril que tiene una primera cavidad configurada para recibir el lote maestro de biopolímero termoplástico mezclado y el fluido, de modo que cuando se introducen en el barril se produce una masa fundida de espuma termoplástica cuando el fluido supercrítico entra en contacto con el lote maestro de biopolímero termoplástico mezclado dentro de la cavidad del barril. También se puede incluir una unidad de suministro de contrapresión de gas en la que la GCP está configurado para suministrar una contrapresión de gas a la primera cavidad para controlar la expansión de la masa fundida espumada. Además, también puede incluirse un molde que tenga una cavidad en comunicación fluida con la cavidad del barril, donde la cavidad del molde está configurada para recibir la masa fundida espumada y producir el producto moldeado de espuma flexible cuando la masa fundida se enfría.

En diversas realizaciones, el aparato de moldeo por inyección puede incluir un tornillo alternante que está configurado para comprimir la masa fundida espumada dentro de la cavidad del barril y para transportar la masa fundida espumada comprimida a la cavidad del molde. Por lo tanto, puede existir un conducto entre la cavidad del barril y la cavidad del molde donde el conducto incluye una boquilla que tiene un casquillo de bebedero para formar un sello entre el barril y el molde.

En consecuencia, el aparato de moldeo por inyección puede incluir uno o más de los siguientes: una tolva en la que se suministra un material termoplástico a los moldeadores en forma de pequeños gránulos. La tolva de la máquina de moldeo por inyección contiene estos gránulos. Los gránulos pueden ser alimentados por gravedad desde la tolva a través de la garganta de la tolva hacia el montaje de barril y tornillo. También puede incluirse un barril donde el barril de la máquina de moldeo por inyección soporta el tornillo de plastificación alternante, y puede calentarse mediante bandas calentadoras eléctricas.

También puede estar presente un tornillo alternante cuando el tornillo alternante se usa para comprimir, fundir y transportar el material. El tornillo alternante puede incluir tres zonas: la zona de alimentación, la zona de compresión (o transición) y la zona de medición. También puede estar presente una boquilla, donde la boquilla conecta el barril con el manguito del bebedero del molde y forma un sello entre el barril y el molde. La temperatura de la boquilla puede ajustarse a la temperatura de fusión del material o justo por debajo de ella. Cuando el barril está en su posición de procesamiento completamente hacia adelante, el radio de la boquilla puede anidar y sellar en el radio cóncavo en el casquillo del bebedero con un anillo de ubicación. Durante la purga del barril, el barril puede salirse del bebedero, por lo que el compuesto de purga puede caer libremente desde la boquilla.

Además, también se puede proporcionar un molde y un sistema hidráulico. El sistema de moldes puede incluir barras de unión, platinas estacionarias y móviles, así como placas de moldeo (bases) que albergan los sistemas de cavidades, bebederos y canales, pasadores eyectores, canales de calentamiento y enfriamiento, sensores de temperatura y sensores de presión. El molde es esencialmente un intercambiador de calor en el que el termoplástico fundido se solidifica con la forma deseada y los detalles dimensionales definidos por la cavidad. También puede haber un sistema hidráulico en la máquina de moldeo por inyección para proporcionar la potencia necesaria para abrir y cerrar el molde, generar y mantener el tonelaje de sujeción, girar el tornillo alternante, accionar el tornillo alternante y energizar los pasadores eyectores y los núcleos del molde en movimiento. Se requiere una serie de componentes hidráulicos para proporcionar esta potencia, que incluyen bombas, válvulas, motores hidráulicos, accesorios hidráulicos, tuberías hidráulicas y depósitos hidráulicos.

También se puede proporcionar un sistema de control. El sistema de control puede configurarse para proporcionar consistencia y repetibilidad en la operación de la máquina. Supervisa y controla los parámetros de procesamiento, incluida la temperatura, la presión, la dosificación de SCF, la velocidad de inyección, la velocidad y la posición del tornillo y la posición hidráulica. El control del proceso puede tener un impacto directo en la calidad de la pieza final y en la economía del proceso. Los sistemas de control de procesos pueden variar desde un simple control de encendido/apagado de relé hasta un control de circuito cerrado basado en un microprocesador extremadamente sofisticado.

También se puede proporcionar un sistema de sujeción. El sistema de sujeción puede configurarse para abrir y cerrar el molde, soporta y transporta las partes constituyentes del molde y genera suficiente fuerza para evitar que el molde se abra. La fuerza de sujeción puede generarse mediante un bloqueo mecánico (de palanca), un bloqueo hidráulico o una combinación de los dos tipos básicos. También se puede proporcionar un sistema de suministro. El sistema de suministro, que permite la etapa del plástico fundido desde la boquilla de la máquina hasta la cavidad de la pieza, generalmente incluye: un bebedero, pozos de relleno frío, un conducto principal, conductos secundarios, compuertas y similares.

Por consiguiente, en otro aspecto, se proporciona un sistema para producir un producto moldeado de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable. El sistema puede incluir un aparato de moldeo por inyección para producir el producto moldeado de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable como se ha descrito anteriormente. El sistema puede incluir adicionalmente, un sistema de dosificación de gas supercrítico configurado para recibir un fluido e introducir el fluido recibido dentro de la primera cavidad del barril bajo condiciones para producir un fluido supercrítico tras dicha introducción, produciendo el fluido supercrítico la masa fundida espumada cuando el fluido supercrítico entra en contacto con la mezcla maestra de biopolímero termoplástico dentro de la primera cavidad. El sistema puede incluir además un sistema de control de temperatura dinámico configurado para controlar la temperatura dentro de una o más de las cavidades primera y segunda. También se puede incluir una unidad de suministro de contrapresión de gas configurada para suministrar una contrapresión de gas a la primera cavidad para controlar la expansión de la masa fundida espumada. Además, se puede incluir una unidad de control que tenga uno o más microprocesadores cuando la unidad de control esté configurada para controlar uno o más del aparato de moldeo por inyección, el sistema de dosificación de gas supercrítico, el sistema de control de temperatura dinámico y la unidad de suministro de contrapresión de gas de acuerdo con uno o más parámetros del sistema.

Particularmente, los componentes del sistema pueden incluir un sistema de máquina de moldeo por inyección que incluye una tolva, un barril, un tornillo alternante, una boquilla, un sistema de moldeo, un sistema hidráulico, un sistema de control, un sistema de sujeción y un sistema de suministro. Se puede incluir un sistema de dosificación de gas de SCF e incluir un tanque de gas inerte, como nitrógeno, un compresor de aire, un dispositivo de control y medición de SCF, un inyector de SCF y un tornillo alternante de diseño especial, y válvulas de retención delanteras y traseras. También se puede proporcionar un sistema de control de temperatura dinámico e incluir una unidad de calentamiento, una unidad de enfriamiento, una válvula secuencial y control por ordenador. Además, hay elementos de calentamiento y canales de enfriamiento ubicados dentro del cuerpo de un molde, que son alimentados por el sistema de control de temperatura dinámico, a través del cual circula un medio de calentamiento o un medio de enfriamiento. Su función es la regulación de la temperatura en la superficie del molde. Y se puede proporcionar un sistema de contrapresión de gas donde incluye un tanque de gas, por ejemplo, gas inerte, como nitrógeno, un compresor de aire, una bomba de gas, una válvula de alivio de gas, un sensor de presión de gas y control por ordenador.

El sistema y/o cualquiera de los subsistemas del mismo pueden incluir uno o más sensores, como por ejemplo un sensor de temperatura, presión, acelerómetro, giroscopio y un sensor de orientación, donde el uno o más sensores están configurados para ser colocados en comunicación con uno o más de los otros componentes del dispositivo de moldeo por inyección, por ejemplo dentro de una o más cavidades del aparato de moldeo por inyección. En varias realizaciones, los sensores pueden ser sensores inteligentes e incluir un módulo de comunicaciones, por ejemplo con una conexión de red, para realizar comunicaciones inalámbricas. En consecuencia, el sistema, y/o cualquiera de sus diversas partes, puede incluir un módulo de comunicaciones que puede estar acoplado a uno o más del módulo de control, el sistema de dosificación de gas supercrítico, el sistema de temperatura de control dinámico y la unidad de control de contrapresión de gas, como cuando el módulo de comunicaciones está configurado para realizar uno o más protocolos de comunicaciones inalámbricas, incluidos WIFI, Bluetooth, Bluetooth de baja energía y comunicaciones celulares 3G, 4G y 5G.

En otro aspecto, la presente divulgación describe una espuma flexible de microceldas reciclable y un método para crear la misma. La espuma es preferiblemente una espuma de celda cerrada pero también puede formarse potencialmente como una espuma de celda abierta. La creación de una estructura de espuma flexible de microceldas reciclable comienza con un polímero adecuado de alto rendimiento como los de origen poliamida o similares. Un ejemplo no limitante de un polímero adecuado es el copolímero de poliamida 66 comercializado bajo el nombre comercial de Vydyne por Ascend Performance Materials, ^lL^c, Houston, TX. Otros ejemplos no limitativos de polímeros adecuados incluyen cualquier cantidad de copolímeros de bloque de poliamida tales como amida de bloque de poliéter (PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA o similares. Los polímeros termoplásticos antes mencionados han mostrado propiedades técnicas ventajosas en la formación de la estructura de espuma flexible de microceldas de la invención. Algunas de las propiedades técnicas mejoradas incluyen propiedades de envejecimiento excepcionales, excelente elongación, resistencia a la tracción y deformación permanente por compresión, entre otros beneficios. Además, se pueden emplear materias primas recicladas en la fabricación del polímero reciclable adecuado o mezclas de polímeros de la presente invención. Por ejemplo, en un aspecto, el polímero termoplástico de espuma flexible reciclable comprende al menos un monómero o polímero derivado de una materia prima reciclada posconsumo o posindustrial por ejemplo caprolactama, polímero de amida de bloque de poliéter reciclado o similar. A modo de ilustración, la caprolactama se puede derivar de dichas materias primas recicladas mediante la despolimerización de material posindustrial o posconsumo que contiene poliamida, por ejemplo redes de pesca, fibras de alfombras o desechos industriales. Algunos ejemplos de caprolactama reciclada posconsumo o posindustrial despolimerizada incluyen caprolactama ECONYL®, ya sea en escamas, líquida o fundida, proporcionada por Aquafil USA Inc., Cartersville, Georgia. El polímero termoplástico puede adicional o alternativamente comprender un polímero de poliamida derivado de fibra de alfombra de poliamida posindustrial o posconsumo que se recoge, clasifica, funde y reprocesa. Un ejemplo de esto sería el uso de fibra de alfombra de poliamida postindustrial, o similar, que se recolecta, clasifica, funde y reprocesa en material de poliamida utilizable reciclado. Un ejemplo de polímero de poliamida derivado de fibra de alfombra postindustrial es Econyl fabricado por Aquafil USA Inc., Cartersville, Georgia. Además, los desechos de poliamida se pueden recolectar en a aproximadamente los océanos del mundo en forma de redes de pesca, o de esa manera se pueden clasificar, fundir y reprocesar en material de poliamida utilizable reciclado. Un ejemplo de polímero de poliamida derivado de redes de pesca postindustriales recolectadas es Akulon Repurposed, fabricado por Koninklijke DSM N.V., Heerlen, Países Bajos. Es un objetivo de esta invención usar materias primas de polímeros reciclados siempre que sea posible.

La poliamida óptima por sí sola no puede producir una espuma flexible reciclable sin un agente espumante y un proceso de espumación adecuados. El agente espumante más conocido en uso hoy en día es un producto químico llamado azodicarbonamida (ADA). ADA suele estar preimpregnada en resinas maestras termoplásticas convencionales para su uso en procesos de espuma de moldeo por inyección convencionales. Desafortunadamente, ADA no es amigable con el medio ambiente y se sospecha que es cancerígeno. Además, los procesos de formación de espuma convencionales que utilizan ADA se entrecruzan durante el proceso de fabricación y, por lo tanto, crean un tipo de espuma flexible que no es reciclable. Para lograr una espuma flexible reciclable, se utiliza gas nitrógeno inerte o dióxido de carbono como agente espumante físico en un proceso de moldeo por inyección modificado. Se emplea un proceso de formación de espuma física modificado junto con un polímero termoplástico adecuado o un lote maestro de polímero mezclado de manera que el polímero o el polímero mezclado y el agente espumante funcionen armoniosamente para espumas reciclables y flexibles. El proceso de moldeo por inyección preferido de esta invención utiliza la nucleación de celdas homogénea que se produce cuando una solución monofásica de polímero y fluido supercrítico (SCF) pasa a través de la compuerta de inyección a la cavidad del molde de una máquina de moldeo por inyección modificada. A medida que la solución ingresa al molde, la presión cae, lo que hace que el SCF salga de la solución creando núcleos de celdas. Luego, las celdas crecen hasta que el material llena el molde y se agotan las capacidades de expansión del SCF. Este proceso de fabricación se realiza en máquinas de moldeo por inyección que se han modificado para permitir la dosificación, el suministro y la mezcla del SCF en el polímero para crear la solución monofásica. Se emplea el control dinámico de la temperatura del molde (DMTC) para garantizar una estructura de celda consistente dentro de la masa fundida de polímero en expansión. El DMTC se puede describir mejor como los elementos de calentamiento y los canales de enfriamiento ubicados dentro del cuerpo de un molde, que son alimentados por el sistema de control de temperatura dinámico, a través del cual circula un medio de calentamiento o enfriamiento. Su función es la regulación de la temperatura en la superficie del molde. La contrapresión de gas (GCP) también se utiliza en el proceso para garantizar una estructura de espuma óptima con poca o ninguna superficie en la espuma flexible resultante. GCP se puede describir mejor como un proceso que incluye una cavidad de molde presurizada que se inyecta con gas nitrógeno para contrarrestar la expansión del gas dentro de la masa fundida. A medida que se libera la contrapresión, las burbujas de gas que convencionalmente atravesarían la superficie quedan atrapadas en el interior, creando una superficie suave. La ^gC^pcontrola la formación de espuma a través de la calidad de la superficie, la estructura de la espuma y el grosor de la superficie.

La creación de la solución monofásica, en la que el SCF se disuelve por completo y se dispersa uniformemente en el polímero fundido, se lleva a cabo dentro del barril de inyección en condiciones de proceso cuidadosamente controladas: el SCF debe medirse con precisión en el flujo de masa del polímero durante un tiempo fijo. Y durante ese período de dosificación, se deben establecer las condiciones adecuadas de temperatura, presión y cizallamiento dentro del barril. El control de la contrapresión, la velocidad del tornillo y la temperatura del barril, así como la contrapresión de gas y el sistema de suministro del SCF, juegan un papel en el establecimiento de las condiciones del proceso que crean la solución monofásica.

El polímero termoplástico utilizado para fabricar las espumas flexibles reciclables y libres de productos químicos se puede crear opcionalmente a partir de cualquier número de poliamidas o copolímeros de poliamida, o similares. Un ejemplo no limitante de un polímero adecuado incluye poliamida 6, poliamida 6/6-6 y poliamida 12. Alternativamente, el polímero termoplástico puede comprender cualquier número de copolímeros de bloque de poliamida tales como amida de bloque de poliéter(PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA o similares. Cualquier tipo de polímero adecuado puede utilizarse en esta invención siempre que cumpla con la dureza requerida, fluidez moderada, alta elongación y reciclabilidad.

Además, las mezclas de dos o más polímeros termoplásticos brindan una combinación de propiedades y precio que no se encuentran en un solo polímero. Hay varias formas de mezclar polímeros con éxito. Un método puede utilizar la extrusión de doble tornillo para fundir dos o más resinas poliméricas juntas y luego extrudir la mezcla de resina polimérica fundida en una hebra que se enfría y alimenta a un granulador para producir una matriz de piezas granuladas denominada lote maestro. Otro método de mezcla de resinas de polímeros es usar agentes compatibilizantes para unir productos químicos diferentes en una mezcla de polímeros. Esto puede usar extrusión de doble tornillo o similar para fundir el compatibilizador y dos o más polímeros juntos en los tipos de polímeros termoplásticos no limitantes que se describieron anteriormente.

En una realización, el método incluye la etapa de reciclar la espuma flexible mediante la despolimerización de la espuma en uno o más monómeros. El proceso de despolimerización incluye las etapas de separar mecánicamente el polímero termoplástico de la espuma reciclable de los desechos, introducir un catalizador de despolimerización en el polímero termoplástico separado, calentar el polímero termoplástico y el catalizador para crear un destilado, separar el agua y los monómeros resultantes de otros subproductos, oxidar el monómero acuoso, concentrar el monómero acuoso oxidado, purificar el monómero concentrado y repolimerizarel monómero para crear un polímero termoplástico para uso en el método de fabricación de una espuma flexible reciclable. El monómero resultante puede incluir caprolactama u otros monómeros que pueden volver a polimerizarse en polímeros termoplásticos.

Dependiendo de la aplicación, también se pueden utilizar aditivos en las formulaciones de polímeros. Por ejemplo, se pueden utilizar rellenos tales como carbonato cálcico precipitado, aragonita oolítica, almidones, biomasa o similares para reducir el coste de las piezas mientras se mantiene la integridad reciclable de las espumas flexibles terminadas.

Además, los aditivos adicionales para usar en las formulaciones poliméricas pueden comprender uno o más de los siguientes agentes nucleantes, tales como talco microlamelar o aragonita oolítica de alta relación de aspecto. Dichos agentes de nucleación pueden mejorar en gran medida las propiedades clave de la espuma flexible resultante evitando la coalescencia celular, reduciendo la densidad aparente y mejorando la resiliencia de rebote, entre otros atributos beneficiosamente mejorados. Varios ejemplos no limitativos de agentes de nucleación para su uso en la producción de espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección reciclables y libres de productos químicos son el talco microlaminar comercializado como Mistrocell® por Imerys Talc America Inc., Houston, Texas y aragonita oolítica de alta relación de aspecto comercializado como OceanCal® por Calcean Minerals & Materials LLC, Gadsden, Alabama.

También se pueden incluir colorantes, tintes y pigmentos. Por ejemplo, en las formulaciones poliméricas de la presente invención se pueden utilizar diversos colorantes tales como tintes o pigmentos. Varios ejemplos no limitativos son pigmentos que se han hecho a medida para tipos específicos de uso de polímeros termoplásticos, como una amplia gama ofrecida por Treffert GmBH & Co. KG, Bingen am Rhein, Alemania o aquellos ofrecidos por Holland Colors Americas Inc., Richmond, Indiana.

Los detalles de una o más realizaciones se exponen en la siguiente descripción adjunta. Otras características y ventajas serán evidentes a partir de la descripción y de las reivindicaciones.

Breve descripción de los dibujos

Estos y otros aspectos se describirán ahora en detalle con referencia a los siguientes dibujos.

La Fig. 1 muestra un componente de calzado de espuma, a saber, una entresuela de calzado de acuerdo con una implementación de la presente divulgación;

La Fig. 2 ilustra una descripción general esquemática del sistema de espuma flexible de microceldas moldeada por inyección para producir espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables, adecuadas para calzado;

La Fig. 3 es un diagrama de flujo de un método para fabricar espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables;

La Fig. 4 muestra una espuma flexible reciclable de acuerdo con la presente divulgación moldeada por inyección para crear una suela intermedia para un calzado deportivo;

La Fig. 5 muestra un esquema de una máquina de moldeo por inyección para producir la espuma flexible reciclable representada en la Fig. 4;

La Fig. 6 es un diagrama de flujo de un método para fabricar la espuma flexible de microceldas reciclable de la Fig. 4; y

La Fig. 7 es un diagrama de flujo que muestra las etapas del reciclaje de una espuma flexible en relación con una realización del método para fabricar la espuma flexible de microceldas reciclable de la Fig. 6.

Los símbolos de referencia similares en los diversos dibujos indican elementos similares.

Descripción detallada

Este documento describe una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable, una espuma flexible de microceldas reciclable y métodos de fabricación de la misma. La espuma es preferiblemente una espuma de celda cerrada pero también puede formarse potencialmente como una espuma de celda abierta. En diversas implementaciones, se pueden fabricar espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables y reciclables para que tengan propiedades y características idénticas a las espumas de acetato de vinilo y etileno (EVA) petroquímicas convencionales o similares, y sin embargo contienen un alto porcentaje de contenido de carbono de biomasa.

Espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables y un método para fabricar las mismas

La presente divulgación se refiere a un proceso para producir una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable y un método para fabricar la misma. Como se discutió anteriormente, la formación de espuma describe un proceso que implica atrapar bolsas de gas en un líquido o sólido. En general, la industria utiliza la espumación para producir materiales poliméricos livianos. Esta es una solución ventajosa para muchos tipos de productos, ya que los materiales espumados aportan una multitud de valores añadidos, por ejemplo una amortiguación suave, comodidad y protección contra impactos, entre otros.

En varios casos, es útil que el material espumante sea una espuma de microceldas. La espuma de microceldas es una forma de plástico fabricado, fabricado especialmente para contener muchos, por ejemplo, miles de millones, de burbujas diminutas, que pueden tener un tamaño inferior a unas 50 micras. Este tipo de espuma se forma disolviendo gas a alta presión en varios tipos de polímeros para provocar la disposición uniforme de las burbujas de gas, lo que se conoce comúnmente como nucleación. El impulsor principal para controlar y ajustar la densidad de las espumas de microceldas es el gas que se usa para crearlas. Dependiendo del gas utilizado, la densidad de la espuma puede oscilar entre aproximadamente el 5 % y aproximadamente el 99 % del bioplástico previamente procesado.

En consecuencia, en varios casos, es útil que la espuma sea una espuma de celda cerrada. La espuma de celda cerrada se conoce generalmente como una celda que está totalmente encerrada por sus paredes y, por lo tanto, no se interconecta con otras celdas. Este tipo de material es útil ya que reduce de manera efectiva el flujo de líquido y gas a través de las celdas. La espuma de celda cerrada, por ejemplo se produce de acuerdo con los métodos divulgados en el presente documento, es útil para las industrias en las que la resistencia a los líquidos es crítica, por ejemplo los usos de amortiguación, calzado, para uso marítimo, HVAC y automotriz.

Sin embargo, en varios casos, puede ser útil que la espuma sea una espuma de celda abierta. La espuma de celda abierta generalmente se clasifica como "celda abierta" cuando más de la mitad de sus celdas están abiertas e interconectadas con otras celdas. Este tipo de espuma, que se puede producir y emplear en los métodos divulgados en el presente documento, puede ser útil porque funciona más como un resorte que como una espuma de celda cerrada, volviendo fácilmente a su estado original después de la compresión. La "elasticidad" es causada por el movimiento de aire sin restricciones y la composición química.

En casos particulares, la espuma generada y los productos producidos a partir de ella, de acuerdo con los métodos descritos, funcionan de manera similar a la espuma flexible de acetato de vinilo y etileno (EVA). En particular, la espuma de EVA flexible es un material omnipresente utilizado en la industria manufacturera actual. Lo que hace que la espuma de EVA sea tan predominante es su coste relativamente bajo y su facilidad de procesamiento, al mismo tiempo que mantiene propiedades de rendimiento técnico generalmente aceptables para un producto determinado. En consecuencia, las espumas producidas de la manera divulgada en el presente documento pueden producirse a un coste relativamente bajo, con una fabricación fácil, manteniendo no sólo productos de rendimiento técnico aceptables, sino muchas veces superiores, y al mismo tiempo respetuosos con el medio ambiente.

Más particularmente, como se indicó anteriormente, las desventajas del uso de espuma de EVA son muchas. El material se deriva de materias primas no renovables y se entrecruza químicamente con agentes de expansión químicos que no son fácilmente biodegradables, compostables o reciclables. Sin embargo, a diferencia de las espumas flexibles de EVA, las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación no contienen productos químicos ni agentes de entrecruzamiento, y son fácilmente biodegradables e industrialmente compostables cuando se utilizan polímeros de origen biológico apropiados en su fabricación.

Por ejemplo, en varias implementaciones, en el presente documento se presenta una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable que puede fabricarse para que tenga propiedades y características similares a la espuma de acetato de vinilo y etileno (EVA) petroquímica convencional o similar, y sin embargo contiene un alto porcentaje de contenido de carbono de biomasa. Particularmente, en varias realizaciones, los precursores de espuma biodegradables, neutros netos e industrialmente compostables se utilizan para fabricar espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables, por ejemplo de una manera respetuosa con el medio ambiente. Para lograr estos objetivos, se puede seleccionar cualquier número de materias primas termoplásticas de origen biológico adecuadas para su uso, y se pueden obtener de materias primas rápidamente renovables que normalmente no compiten con la alimentación animal o humana. Ventajosamente, como se indicó, los precursores de espuma termoplástica de origen biológico cuidadosamente seleccionados tienen propiedades de rendimiento técnico casi equivalentes o equivalentes a las del EVA usado convencionalmente.

Un ejemplo no limitativo de dicha materia prima termoplástica adecuada para su uso en la fabricación de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable de la presente divulgación con propiedades de rendimiento técnico casi equivalentes o equivalentes a las del EVA no renovable convencional son los copoliésteres de PBAT de origen biológico, como se divulga en el presente documento a continuación. Por lo tanto, en varios casos, los presentes dispositivos, sistemas y sus métodos de uso pueden emplearse para producir una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable que puede generarse a partir de resinas termoplásticas de origen biológico biodegradables e industrialmente compostables.

Más particularmente, los precursores de espuma útiles de acuerdo con los métodos divulgados pueden ser cualquier tipo adecuado de resina termoplástica, por ejemplo una resina termoplástica de origen biológico o un compuesto termoplástico de origen biológico producido a partir de materias primas renovables rápidamente. Estas resinas termoplásticas son polímeros en bruto sin forma que se funden y se vuelven líquidos cuando se calientan, y se endurecen y se vuelven sólidos cuando se enfrían.

La creación de termoplásticos no es una tarea sencilla. Se requieren procesos químicos y mecánicos complejos para elaborar el producto final. En su forma más simple, los termoplásticos están hechos de polímeros y esos polímeros están hechos de compuestos. Para producir los compuestos necesarios para elaborar polímeros y luego elaborar termoplásticos, se deben descomponer y separar diferentes tipos de moléculas. Normalmente, los precursores de espuma se utilizan alimentándolos en una máquina de moldeo por inyección adecuada en forma granular. Los gránulos se procesan a través de una máquina de moldeo por inyección donde se licuan y se inyectan en una cavidad de molde preformada. Una vez finalizada la inyección, la pieza moldeada se enfría y se expulsa del molde en estado sólido, este proceso por ejemplo se implementa en las presentes realizaciones se analiza con mayor detalle a continuación.

Los termoplásticos de origen biológico se pueden describir por clase. Una clase predominante de precursores termoplásticos de base biológica y biomasa. Hay dos tipos de biopoliésteres: ácido poliláctido (PLA) y polihidroxialcanoato (PHA). El PLA es un tipo de termoplástico que se fabrica a través de la fermentación de bacterias. PLA es en realidad una larga cadena de muchas moléculas de ácido láctico. Hay muchas materias primas de origen biológico diferentes para producir PLA, tales como la caña de azúcar, el maíz, la remolacha azucarera y los desechos de madera de lignina, solo por nombrar algunos. El PHA generalmente es producido por bacterias naturales y desechos de alimentos. Hay una subclase de PHA llamada polihidroxibutirato (PHB), que es un tipo de PHA que también está ampliamente disponible.

En algunos casos, los rellenos de almidón o celulosa y similares pueden incluirse opcionalmente en la formación de mezclas de biopoliéster ya que su inclusión hace que la mezcla sea más económica y, en algunos casos, su uso mejora la velocidad de descomposición. Un tipo adicional de termoplástico de origen biológico se conoce como acetato de celulosa (CA). El CA es un producto sintético derivado de la celulosa que se encuentra en cada parte de una planta. Las materias primas utilizadas actualmente para elaborar CA son algodón, madera y desechos de cultivos, solo por nombrar algunos. Aún más, el almidón es otro tipo de material termoplástico. Normalmente, el almidón se trata con calor, agua y plastificantes para producir un termoplástico. Para impartir resistencia, el almidón generalmente se combina con rellenos hechos de otros materiales. Las materias primas actualmente disponibles para la producción de almidón son el maíz, el trigo, la patata y la mandioca. También se conocen varios termoplásticos derivados del petróleo que pueden ser biodegradables. Los tipos comunes son el succinato de polibutileno (PBS), la policaprolactona (PCL), el tereftalato de adipato de polibutirato (PBAT) y el alcohol polivinílico (PVOH/PVA). Los termoplásticos derivados del petróleo antes mencionados se pueden producir en variedades de origen biológico. Se están produciendo nuevas materias primas de origen biológico para producir PBS, PCL, PBAT y PVOH/PVA, y cada vez están más disponibles comercialmente gracias a los avances y descubrimientos tecnológicos. Uno o más de estos precursores pueden generarse y emplearse de acuerdo con los métodos divulgados en el presente documento.

Una vez que se han generado los precursores, pueden espumarse y usarse para fabricar uno o más productos finales, por ejemplo mediante un proceso de moldeo por inyección, como se divulga en el presente documento. Por ejemplo, en varios casos, los precursores termoplásticos de origen biológico pueden espumarse y emplearse en un proceso de producción de productos finales, por ejemplo mediante moldeo por inyección. En el moldeo por inyección de espuma convencional, también conocido como moldeo por inyección directa de espuma expandida, primero se funden los polímeros termoplásticos. Cuando los polímeros termoplásticos se funden uniformemente, se dispersa un agente químico de expansión en el polímero fundido para hacer que el compuesto de inyección sea espumable.

El compuesto de polímero homogéneo luego se inyecta en un molde para elaborar el producto de espuma. Por lo general, el compuesto polimérico inyectado no se clasifica como espuma hasta que una reacción endotérmica en la cavidad del molde caliente activa el agente químico de expansión, lo que da como resultado una pieza de espuma expandida. En consecuencia, el tamaño de la cavidad del molde debe ser más pequeño que el tamaño final de la pieza. La expansión real de la pieza se crea dentro de la fórmula del polímero termoplástico, de modo que cuando la pieza se expulsa del molde, crece hasta el tamaño de pieza requerido.

Una vez que se logra el tamaño de pieza requerido, también se contrae o encoge a medida que se enfría, lo que a menudo requiere una operación de moldeo secundaria para obtener un tamaño de pieza enfriado preciso. Como resultado, el proceso de gestión de la expansión-contracción de las espumas de moldeo por inyección convencionales puede considerarse tedioso, lento y complejo. Tal tecnología de moldeo por inyección se puede emplear para producir los precursores y las espumas, así como los productos producidos por ellos, como se analiza en el presente documento. Sin embargo, en casos particulares, una máquina de moldeo por inyección convencional puede modificarse, como se divulga en el presente documento, para efectuar mejor el uso de precursores de espuma neutros netos y biodegradables que pueden emplearse en un proceso modificado para generar espumas respetuosas con el medio ambiente que pueden ser empleadas en la producción de productos de espuma, tales como acolchado de muebles, componentes de calzado, equipos deportivos y similares.

En consecuencia, aunque el proceso convencional puede ser útil en la producción de productos espumados, en ciertos casos, puede sufrir algunos inconvenientes, especialmente con respecto a la producción de una espuma flexible de microceldas compostable. Por ejemplo, en varios casos, un proceso típico de moldeo por inyección, cuando se usan resinas termoplásticas compostables de origen biológico para producir una espuma flexible compostable, puede ser deficiente de varias maneras diferentes. Por ejemplo, el proceso de moldeo por inyección de espuma no modificada convencional mencionado anteriormente puede ser deficiente e inadecuado para producir espumas flexibles biodegradables y compostables. Una razón principal de esto se deriva de la propia naturaleza del moldeo por inyección de espuma no modificada convencional en el que los compuestos poliméricos se entrecruzan durante su fabricación.

Como se indicó anteriormente, el entrecruzamiento se puede describir como la formación de enlaces covalentes que mantienen unidas porciones de varias cadenas de polímeros, que ocurren al azar. El resultado es una red tridimensional aleatoria de cadenas interconectadas dentro de la matriz de espuma. Esta espuma entrecruzada no se puede desentrecruzar fácilmente y, por lo tanto, los diversos ingredientes precursores no se pueden separar fácilmente en sus tipos individuales y biodegradarse o compostarse. Como resultado, las ventajas divulgadas actualmente no serían fácilmente alcanzables sin cambiar el aparato de formación de espuma y sus métodos de uso en la fabricación. En consecuencia, en el presente documento se presenta una máquina de fabricación y un proceso de uso de la misma para generar espumas de una manera que es adecuada para emplear precursores no entrecruzantes en un proceso de moldeo por inyección.

En consecuencia, en un aspecto, en el presente documento se presenta una nueva máquina de moldeo por inyección. La máquina de moldeo puede configurarse para emplear una variedad de composiciones de espuma flexible, incluidos precursores termoplásticos de origen biológico, que pueden espumarse de tal manera que produzcan una estructura de espuma flexible de microceldas compostable, mediante la aplicación de los precursores en la nueva máquina de moldeo por inyección, que luego se puede utilizar para producir uno o más productos de espuma flexible. Por lo tanto, en un aspecto, en el presente documento se proporciona una nueva máquina de moldeo por inyección.

Algunos de los factores que distinguen a la maquinaria de fabricación de la presente divulgación es el uso de equipos auxiliares especializados acoplados con un sistema de dosificación de gas de microceldas que puede fijarse y, por lo tanto, modificar y mejorar una máquina de moldeo por inyección estándar. Esencialmente, como se presenta en el presente documento, una máquina de moldeo por inyección estándar ha sido revisada y reequipada para funcionar de manera adecuada para su uso de acuerdo con la presente divulgación. El método general de modificación comienza con la transformación del tomillo de moldeo por inyección en la máquina de moldeo por inyección para poder manejar gas inerte supercrítico, por ejemplo nitrógeno, CO2 y/o gases no reactivos y/o inertes.

A continuación, se puede equipar un sistema de dosificación de gas en la máquina de moldeo por inyección para dosificar el gas adecuado en la cantidad adecuada en el polímero fundido dentro del tornillo, por ejemplo antes de la inyección en la cavidad del molde con temperatura controlada. Además, se puede utilizar una cavidad de molde especializada en la que el ciclo de temperatura térmica del molde puede controlar mejor la textura de la superficie exterior de las espumas resultantes y el grosor de la superficie, así como reducir el tiempo del ciclo para la producción de piezas. Además, se puede equipar un sistema de contrapresión de gas auxiliar en la máquina de moldeo por inyección para forzar un gas inerte de regreso al molde para contrarrestar el polímero líquido fundido que se inyecta en el molde.

Esta contrapresión es útil para garantizar que la inyección fundida llene sustancialmente, si no completamente, la cavidad del molde y evite el alabeo y la contracción de la pieza, así como para controlar la distribución de celdas y la densidad de celdas. Además, la contrapresión adecuada tiene una influencia beneficiosa sobre la textura de la superficie y el grosor de la superficie de la pieza. En consecuencia, cuando la pieza es expulsada de la cavidad del molde no hay contracción perceptible y no se requieren etapas secundarias para usar inmediatamente la pieza de espuma moldeada. De manera beneficiosa, la pieza no está entrecruzada y, como resultado, puede biodegradarse o convertirse en abono siempre que se utilicen los compuestos de polímeros de origen biológico adecuados en la creación de espumas.

En vista de lo anterior, en un aspecto, la presente divulgación está dirigida a crear una estructura de espuma flexible de microceldas biodegradable y compostable, por ejemplo, industrialmente. Particularmente, en una realización, el proceso comienza con un biopolímero adecuado o una mezcla de biopolímeros. Por ejemplo, en varios casos, un biopolímero puede ser uno o más polímeros, como los producidos a partir de fuentes naturales, ya sea sintetizados químicamente a partir de un material biológico o completamente biosintetizados por organismos vivos.

Existen principalmente dos tipos de biopolímeros, uno que se obtiene de organismos vivos y otro que se produce a partir de recursos renovables pero que requieren polimerización. Los creados por organismos vivos incluyen proteínas y carbohidratos. A diferencia de los polímeros sintéticos, los biopolímeros tienen una estructura bien marcada. Este tipo de polímero se diferencia en base a su estructura química. Lo que hace que los biopolímeros de la presente divulgación sean particularmente útiles es que imitan estrechamente al EVA no renovable en términos de propiedades de rendimiento técnico.

Asimismo, en casos particulares, se puede emplear una combinación de biopolímeros para generar la estructura de la espuma, como cuando la combinación de biopolímeros puede ser un compuesto personalizado de dos o más biopolímeros. Varios tipos no limitantes de biopolímeros son biopolímeros a base de azúcar, biopolímeros a base de almidón, biopolímeros a base de materiales sintéticos y biopolímeros a base de celulosa. La proporción típica de las combinaciones mezcladas de biopolímeros dependería del tipo de producto que se fabrica y de las propiedades técnicas requeridas de la pieza resultante.

Más particularmente, en una realización particular, una mezcla de biopolímeros que se puede usar como precursor de espuma incluye una pluralidad de resinas, por ejemplo uno o más materiales sólidos o viscosos que se pueden agregar a la masa fundida de un polímero, por ejemplo después del curado. Por lo tanto, después de la polimerización o el curado, las resinas forman polímeros. Por ejemplo, una resina adecuada puede ser una o más de: copoliéster de origen alifático y alifático-aromático. En términos generales, los alifáticos o compuestos alifáticos se relacionan o denotan compuestos orgánicos en los que los átomos de carbono forman cadenas abiertas en lugar de anillos aromáticos. Asimismo, los compuestos alifático-aromáticos adecuados son generalmente una combinación aleatoria de cadenas abiertas de átomos de carbono (la porción alifática) y un anillo o anillos estables de átomos (la porción aromática).

Por lo general, la cantidad de ácido aromático en la cadena es inferior al 49 %, aunque los avances tecnológicos recientes se han mostrado muy prometedores para aumentar esto y ayudar aún más en la biodegradación. Un ejemplo de un alifático-aromático es el copoliéster alifático-aromático (AAPE) que se puede producir a partir de cualquier número de materias primas renovables y no renovables, aunque el AAPE de fuentes renovables es particularmente útil. En consecuencia, en diversas realizaciones, uno o más de estos alifáticos y/o alifáticos pueden ser de origen copoliéster. Dichos copoliésteres se crean cuando se modifica un poliéster. Por ejemplo, los copoliésteres se producen cuando se usa más de un diácido o diol en el proceso de polimerización. En el caso de los copoliésteres alifáticoaromáticos, se realiza una combinación de cambios de precursores para hibridar o "puentear" esencialmente la cadena alifático-aromática y combinar más de un precursor adicional en el proceso de polimerización.

Un ejemplo no limitativo de una combinación de biopolímeros adecuada es el ácido poliláctico (PLA) y el poli(adipatoco-tereftalato de butileno) (PBAT). El ácido poliláctico (PLA) es un poliéster alifático termoplástico biodegradable derivado de biomasa renovable. Las materias primas típicas utilizadas en la creación de PLA incluyen almidón vegetal fermentado por ejemplo maíz, mandioca, caña de azúcar, pulpa de remolacha azucarera y, en menor grado, residuos de madera de lignina. Asimismo, el tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT) es un copolímero aleatorio biodegradable, específicamente un copoliéster que comúnmente se deriva del ácido adípico, 1,4-butanodiol y ácido tereftálico. Es ventajoso utilizar PBAT de origen renovable en lugar de PBAT procedente de fuentes de petróleo no renovables. En varios casos, se pueden mezclar uno o más de estos componentes.

Las mezclas de dos o más biopolímeros termoplásticos brindan una combinación de propiedades y precio que no se encuentra en un solo polímero o copolímero. Hay varias formas de mezclar biopolímeros con éxito. Un método común es usar extrusión de doble tornillo para fundir dos o más resinas de biopolímero juntas y luego extrudir la mezcla de resina de biopolímero fundida en una hebra que se enfría y se alimenta a un granulador para producir una serie de piezas granuladas llamadas lote maestro. Otro método de mezcla de resinas de biopolímeros es usar agentes compatibilizantes para unir productos químicos diferentes en una mezcla de biopolímeros. Comúnmente, esto también usa extrusión de doble tornillo o similar para fundir el compatibilizador y dos o más biopolímeros juntos en el proceso descrito anteriormente.

En consecuencia, se ha determinado en el presente documento que las resinas de biopolímeros termoplásticos combinados mencionadas anteriormente muestran propiedades técnicas ventajosas para formar una estructura de espuma óptima flexible de microceldas de la divulgación. Algunas de las propiedades técnicas mejoradas incluyen: propiedades aceptables de envejecimiento, excelente elongación y excepcional deformación permanente por compresión, entre otros beneficios. Por ejemplo, una ventaja del uso de mezclas de biopolímeros, como se divulga en el presente documento, son las propiedades de rendimiento técnico mejoradas que resultan de la formación y el uso de una mezcla de biopolímeros dada. Específicamente, las propiedades mejoradas, tales como la elongación mejorada, la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto y el flujo en estado fundido, solo por nombrar algunas, se pueden lograr cuando se logra la combinación correcta de biopolímeros y/o mezclas de compatibilizadores de biopolímeros.

En consecuencia, estas resinas pueden emplearse de acuerdo con los métodos y máquinas divulgados en el presente documento para producir un agente espumante. Por lo tanto, en un aspecto, la presente divulgación se refiere a un proceso de formación de espuma. Como se describió anteriormente, las máquinas y los procesos divulgados en el presente documento pueden configurarse para realizar una operación de formación de espuma en la que se atrapan bolsas de gas en un líquido o sólido, cuya formación de espuma puede utilizarse para producir materiales poliméricos ligeros. Esta es una solución ventajosa para muchos tipos de productos, ya que los materiales de espuma brindan una multitud de valores agregados, como amortiguación suave, comodidad, equipo deportivo técnico, incluidos los componentes del calzado y protección contra impactos, entre otros. Sin embargo, en varios casos, los biopolímeros de copoliésteres alifáticos y alifático-aromáticos óptimos antes mencionados o las mezclas de biopolímeros solos son útiles para producir una espuma flexible; en varios casos, su uso en la producción de una espuma flexible puede mejorarse mediante la inclusión de un agente espumante adecuado dentro del proceso de espumado.

Por ejemplo, un agente espumante ampliamente conocido que se usa hoy en día es una sustancia química llamada azodicarbonamida (ADA). La azodicarbonamida suele estar preimpregnada en resinas maestras termoplásticas petroquímicas para su uso en procesos de espuma de moldeo por inyección convencionales. En particular, la preimpregnación de un agente químico de expansión como ADA se incluye típicamente en la mezcla de bioplásticos antes de la formación de espuma. La razón de esto es que se necesita la preimpregnación de un agente químico de expansión, por ejemplo ADA, ya que el espumado de moldeo por inyección convencional no permite la personalización de la variabilidad del moldeado de espuma. Es decir, los agentes de expansión químicos tales como ADA tienen una capacidad limitada para modificar o influir en los aspectos físicos del proceso de formación de espuma durante el punto de fabricación.

Por el contrario, el proceso de formación de espuma especializado de esta divulgación se beneficia de la formación de espuma física que proporciona un gas noble o inerte, como el nitrógeno. En este proceso, la dosificación del gas, por ejemplo, nitrógeno, puede ajustarse en concentración dentro del biopolímero fundido y esto tiene una influencia directa en el resultado de la formación de espuma, lo que puede verse como una gran ventaja para personalizar aspectos específicos de la espuma resultante. Aunque existen varios termoplásticos derivados de productos petroquímicos que se sabe que son biodegradables e industrialmente compostables, como los copoliésteres de PBAT, es ventajoso utilizar materias primas de fuentes renovables, como la línea de copoliésteres de PBAT puros.

Por ejemplo, al producir un agente espumante, puede ser útil producir primero un lote maestro hecho a la medida, como una mezcla de bioplásticos que se adapta para producir un tipo determinado de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable para un tipo de producto determinado. Por ejemplo, se pueden producir diferentes tipos de compuestos de lotes maestros personalizados para diferentes tipos de aplicaciones de productos. Esto se puede explicar indicando que lo que funciona para hacer un tipo particular de espuma en un par de zapatos, por ejemplo, puede ser diferente de lo que se necesita para elaborar un tipo particular de espuma, como para usar en la fabricación de un mueble. Además, los lotes maestros personalizados pueden contener diferentes colorantes para un uso de producto determinado. Una vez más, los diferentes tipos de productos necesitan diferentes aspectos de personalización, y la capacidad de producir lotes maestros separados de forma única es muy ventajosa para estos usos particulares.

Desafortunadamente, ADA no es amigable con el medio ambiente y se sospecha que es cancerígeno para la salud humana. En consecuencia, su uso en los presentes métodos y los productos producidos por ellos tienen ventajas limitadas. Además, las resinas de lote maestro termoplásticas petroquímicas convencionales no son biodegradables ni industrialmente compostables y, por lo tanto, sus ventajas también son limitadas. En vista de estas deficiencias en el uso de ADA y productos petroquímicos convencionales para producir lotes maestros, en el presente documento se presentan resinas de biopolímeros termoplásticos biodegradables, industrialmente compostables, que pueden usarse para producir lotes maestros para generar una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable.

En varios casos, como se discutió anteriormente, para lograr una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable más óptima para el uso en la fabricación de productos finales moldeados, por ejemplo, de una manera neutral en emisiones ambientales, el sistema puede inyectar un fluido supercrítico en el proceso de moldeo. Específicamente, un fluido supercrítico es una sustancia (líquido o gas) que se encuentra en un estado por encima de su temperatura crítica (Tc) y presión crítica (Pc). En este punto crítico coexisten gases y líquidos, y un fluido supercrítico muestra propiedades únicas que son diferentes de las de los líquidos o gases, por ejemplo, en condiciones estándar. Es ventajoso utilizar fluido supercrítico inerte, por ejemplo nitrógeno, CO2, He, Ne, Ar, Xe y otros gases inertes tales como en un estado de fluido supercrítico, gases que pueden emplearse de acuerdo con los métodos divulgados en el presente documento como agente de expansión en el proceso de formación de espuma.

El fluido supercrítico antes mencionado funciona solubilizándose en la matriz polimérica dentro del barril de la máquina de moldeo por inyección. A medida que el proceso de moldeo por inyección especializado inyecta el compuesto bioplástico líquido en la cavidad del molde de inyección bajo presión y temperatura controladas, el gas obliga al polímero fundido a expandirse completamente hasta los límites máximos de la cavidad del molde. En este proceso, el gas es útil para maximizar la estructura de celda de la matriz polimérica dentro del proceso de formación de espuma. Esta maximización del proceso especializado de formación de espuma garantiza que se minimicen las marcas de hundimiento no deseadas o la deformación dentro de la pieza espumada final. Esto es muy diferente a las espumas flexibles producidas por agentes de expansión químicos convencionales en que los agentes de expansión convencionales no están sujetos al mismo tipo de estados supercríticos o presiones y, por lo tanto, las espumas producidas convencionalmente carecen de consistencia en la parte espumada final y pueden contener marcas de hundimiento y deformaciones indeseables.

Más particularmente, en varios casos, se puede formular un gas inerte, como nitrógeno o dióxido de carbono, en un estado de fluido supercrítico, que luego se puede usar como un agente espumante físico, como en las nuevas máquinas y procesos de moldeo por inyección discutidos en el presente documento. En tal caso, el proceso de espumado físico modificado divulgado puede emplearse junto con: un biopolímero termoplástico adecuado o puede ser un lote maestro de biopolímero mezclado, de modo que el biopolímero o la mezcla de biopolímeros y el agente espumante funcionen armoniosamente para producir las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables más óptimas.

Los biopolímeros, bioplásticos y mezclas de bioplásticos adecuados de la presente divulgación pueden derivarse de recursos renovables, como los que no compiten con la alimentación animal y humana, y los que se derivan de flujos de desechos de recursos renovables. Un ejemplo no limitativo de un biopolímero adecuado que encuentra uso en la producción del biopolímero o mezcla de biopolímero consiste en ácido poliláctico (PLA), poli(ácido L-láctico) (PLLA), poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT), policaprolactona (PCL), alcanoato de polihidroxilo (PHA), succinato de polibutileno (PBS), policaprolactona (PCL), adipato de succinato de polibutileno (PBSA), adipato de polibutileno (PBA) y almidón termoplástico (TPS). Las mezclas de biopolímeros adecuadas de la presente divulgación son cualquier combinación de los tipos de biopolímeros y bioplásticos enumerados anteriormente, así como cualquier mezcla de biopolímeros híbridos que consta de poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT) que contiene biomasa. Un ejemplo no limitativo de esto sería una mezcla de PBAT que contiene lignina en la que la lignina se obtiene de desechos de madera y el PBAT se obtiene de recursos renovables.

En consecuencia, en diversas realizaciones, los dispositivos de moldeo por inyección y los métodos para su uso divulgados en el presente documento son útiles para producir espumas que tienen una nucleación de celdas homogénea. Como se discutió, los aparatos y sus métodos de uso divulgados en el presente documento se pueden usar para producir una nucleación de celdas homogénea para producir una espuma en la que los núcleos de la espuma se generan aleatoria y espontáneamente y, por lo tanto, crecen irreversiblemente en un sistema de solución de una sola fase que tiene desde una cantidad mínima hasta sin impurezas. Por ejemplo, como se establece a continuación en el presente documento, en un aspecto se proporciona un proceso de fabricación de espumas flexibles y/o rígidas. El método puede implementarse para obtener una espuma de celda abierta o de celda cerrada, por ejemplo cuando la espuma tiene propiedades inherentes compostables, antimicrobianas y/o resistentes a la llama.

En ciertos casos, el método puede incluir una o más de las etapas para formar el lote maestro, como incluir la mezcla de una o varias resinas, por ejemplo, resinas portadoras de copolímero y varios ingredientes espumantes. En una etapa posterior, el método puede incluir la adición de un compuesto antimicrobiano de modo que el material de espuma se pueda usar en la producción de componentes de calzado antimicrobianos, antibacterianos y/o antivirales, componentes de muebles, colchonetas de yoga, prendas de vestir, componentes deportivos, dispositivos médicos y/o artículos de fabricación resistentes a la llama, y otros usos adecuados. Particularmente, de acuerdo con los métodos divulgados en el presente documento, los productos producidos pueden usarse en una amplia gama de aplicaciones y, en general, su método de producción puede dividirse en tres fases distintas. Primero, se elabora el producto de polímero a granel. A continuación, el polímero se expone a varias etapas de procesamiento. Finalmente, el polímero se transforma en su producto final, por ejemplo ropa, alfombras antimicrobianas, muebles, componentes de automóviles, colchonetas de yoga, componentes de calzado, incluidas suelas, entresuelas, plantillas y similares.

Particularmente, esta solución monofásica se puede emplear para producir sitios de nucleación donde las celdas crecen y se expanden por la difusión de gas en burbujas. Las máquinas y procesos divulgados en el presente documento son particularmente útiles para iniciar un proceso de formación de espuma que da como resultado la generación de nucleación de celdas homogéneas de tal manera que las pequeñas burbujas se dispersan uniformemente dentro de la matriz de espuma. Específicamente, a diferencia del espumado convencional, las espumas flexibles formadas por fluido supercrítico de la presente divulgación se benefician de propiedades mecánicas muy mejoradas que pueden atribuirse directamente a los pequeños tamaños de las burbujas. Más específicamente, los dispositivos y métodos divulgados en el presente documento están configurados para producir burbujas con diámetros del orden de 100 micras o más hasta aproximadamente 1 micra o menos, por ejemplo entre alrededor de 50 micras y alrededor de 10 micras, o menos, como entre alrededor de 20 y 40 micras, incluyendo aproximadamente 30 micras y se producen mediante el uso de inestabilidades termodinámicas, y todo sin el uso de un agente de expansión químico convencional en la creación de la espuma.

Por ejemplo, en una realización particular, el sistema puede configurarse para usar la presente máquina de moldeo por inyección novedosa divulgada en el presente documento para producir una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable que tiene una nucleación de celdas homogénea que puede ocurrir cuando una solución monofásica de biopolímero o la mezcla de biopolímeros y el fluido supercrítico (SCF) pasan a través de la compuerta de inyección hacia la cavidad del molde de la máquina de moldeo por inyección. Específicamente, como se explica con mayor detalle más adelante, las presentes máquinas de moldeo por inyección están configuradas para producir un material fundido, por ejemplo inyectando un precursor de molde en un molde para producir una pieza acabada o un componente. La máquina de moldeo por inyección puede incluir una tolva de material, un ariete de inyección o un émbolo de tipo tornillo y una unidad de calentamiento. Dichas máquinas de moldeo por inyección se clasifican en términos de tonelaje, que expresa la cantidad de fuerza de sujeción que puede ejercer la máquina.

En consecuencia, el proceso puede comenzar con un compuesto bioplástico granular que se alimenta mediante un pistón forzado desde una tolva a un barril calentado. A medida que los gránulos avanzan lentamente mediante un émbolo de tipo tornillo alternante especializado, se introduce un fluido supercrítico a través de un inyector por medio de una máquina auxiliar de dosificación supercrítica separada que puede conectarse directamente al aparato de moldeo por inyección que alimenta el tornillo. En consecuencia, el fluido supercrítico se satura dentro del biopolímero fundido durante la rotación del tornillo y esto crea una solución monofásica.

Luego, la mezcla fundida se introduce a la fuerza en una cámara calentada con alta contrapresión donde se funde a una temperatura controlada por una interfaz de ordenador. A medida que avanza el émbolo, el compuesto bioplástico fundido es forzado a través de una boquilla que descansa contra el molde, lo que le permite ingresar a la cavidad del molde a través de una puerta. Por lo tanto, el presente proceso de formación de espuma puede configurarse para someter materiales poliméricos a un proceso mecánico o físico mediante el cual se aplica calor y presión a los materiales poliméricos en presencia de un agente de expansión. El agente de expansión puede ser de origen químico, como es el caso de los espumantes convencionales de EVA de celda cerrada, o puede ser de origen inerte, como es el caso de las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación. En consecuencia, en vista de lo anterior, a medida que la solución entra en el molde, la presión cae, lo que hace que el SCF salga de la solución creando núcleos de celdas.

En particular, el fluido supercrítico se satura dentro del biopolímero fundido durante la rotación del tornillo y esto crea una solución monofásica bajo cierta temperatura y presión. La mezcla fundida se introduce a la fuerza en una cámara de molde calentada con alta contrapresión y la presión de la solución monofásica se reduce desde la presión del proceso de microceldas hasta la presión atmosférica, por lo que se produce una descarga rápida de la presión. Los fenómenos de nucleación ocurren debido a que el gas se separa de la mezcla. En este punto, los núcleos se convierten en burbujas estables. El tamaño de la burbuja está determinado por la saturación, la presión del proceso de microceldas y la temperatura de mezclado, que pueden ser controlados por el presente sistema y métodos. En consecuencia, cuando se generan millones de núcleos y el núcleo es estable, comienza el crecimiento de la burbuja.

La morfología de la burbuja está determinada por la concentración de SCF, así como por los parámetros del proceso de moldeo por inyección. Por lo tanto, estos parámetros pueden seleccionarse para su control por el sistema para producir una morfología de burbuja útil y/o determinada. A medida que concluye el moldeo de la pieza, el molde se enfría y la temperatura de la masa fundida disminuye, lo que obliga a la masa fundida a congelarse y solidificarse. Nuevamente, estos parámetros pueden estar estrictamente controlados por el sistema, como dependiendo de los productos finales que se van a producir. En concreto, en este punto las burbujas dejan de crecer y se fija la forma de la pieza resultante. Luego, las celdas crecen hasta que el material llena el molde y se agotan las capacidades de expansión del SCF.

En consecuencia, en este proceso, el biopolímero fundido y la mezcla de SCF se inyectan de forma controlada en la cavidad del molde calentado y se experimenta una caída de presión repentina. Se producen millones de burbujas diminutas a partir del crecimiento de los núcleos y estas burbujas obligan físicamente a la mezcla fundida a expandirse hasta las limitaciones máximas de la cavidad del molde. A medida que la mezcla fundida se expande al máximo potencial físico, el material se enfría rápidamente dentro del molde y las burbujas dejan de formarse, la mezcla fundida deja de expandirse y se forma una parte final solidificada. Todo esto tiene lugar en cuestión de segundos dentro del sistema de moldeo por inyección.

Como se indicó, este proceso de fabricación se realiza en las máquinas de moldeo por inyección descritas anteriormente, que se han modificado para controlar con precisión: dosificación, suministro, mezclado, temperatura, presión, inyección, velocidad y similares. Por ejemplo, se puede usar una unidad dosificadora auxiliar para controlar la dosificación para suministrar una dosificación precisa de gas de SCF en la masa fundida de polímero. Específicamente, se puede configurar una máquina auxiliar de dosificación de gas adecuada para convertir el gas inerte en un estado de fluido supercrítico y para medir la dosificación del suministro de SCF en la máquina de moldeo por inyección, como por medio de un mecanismo de control por ordenador.

Por ejemplo, un operador o un microcontrolador adecuadamente configurado puede programar la máquina auxiliar de dosificación de gas a una cantidad de dosificación de gas de SCF predeterminada. Esencialmente, una máquina auxiliar de dosificación de gas es un sistema de suministro de SCF que puede acoplarse electrónica y/o físicamente a la máquina de moldeo por inyección. En particular, una máquina auxiliar de dosificación de gas de SCF adecuada para usar en la presente divulgación puede configurarse para producir una línea de sistemas de dosificación de gas que están diseñados para convertir nitrógeno de grado industrial u otros gases inertes en un fluido supercrítico. El aparato de dosificación de gas puede configurarse para dosificar e inyectar con precisión el SCF en la máquina de moldeo por inyección a una presión de hasta 275 bar e incluso más.

Para operar el aparato de dosificación de gas, un operador puede emplear un dispositivo informático asociado, por ejemplo un dispositivo informático de escritorio o portátil, que está configurado para producir una interfaz gráfica de usuario (GUI) para controlar los aparatos del sistema y los parámetros de control respectivos, por ejemplo el aparato de dosificación. Por ejemplo, un operador puede ingresar los parámetros seleccionados, por ejemplo, los parámetros de inyección de dosificación de gas de SCF deseados en la GUI. Luego, un elemento de procesamiento del sistema calcula todos los parámetros secundarios en tiempo real y optimiza el suministro de SCF en la máquina de moldeo por inyección. En consecuencia, la unidad de control del sistema asegura que el sistema de dosificación de gas y la máquina de moldeo por inyección trabajen juntos simbióticamente, por ejemplo a través de una red de controles informáticos. Por lo tanto, este sistema de dosificación de gas es un atributo único de la presente divulgación, ya que el gas inerte supercrítico se puede usar sin esfuerzo como agente de expansión físico para producir las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación en sustitución de los agentes de expansión químicamente reactivos utilizados en espumas flexibles convencionales. Este control de la mezcla del SCF en el biopolímero es útil para crear la solución monofásica.

Además, durante el proceso de moldeo por inyección de la presente divulgación, se inyecta SCF en el polímero fundido. Se obtiene una sola fase de solución mixta de polímero-SCF bajo temperatura y presión definidas dentro del tornillo y el barril de la máquina de moldeo por inyección. La temperatura y la presión pueden controlarse de forma variable y relacionarse directamente con el tipo de espuma flexible que se produce y para qué tipo de aplicación se utilizará el producto final. En esta etapa, la concentración de SCF está determinada por la saturación, la presión del proceso de microceldas y la temperatura de mezclado. Se puede proporcionar un ejemplo para fabricar una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable de la presente divulgación para su uso en la fabricación de una pieza de espuma para muebles, automotriz, atlética y/o calzado, específicamente una entresuela de calzado. Un ejemplo no limitativo de una mezcla de biopolímero adecuada para su uso en este ejemplo no limitativo es el biopoliéster de PBAT rápidamente renovable formado en un compuesto de biopolímero.

En consecuencia, el compuesto de biopolímero granulado se introduce primero en la máquina de moldeo por inyección a través de la tolva. A continuación, el biopolímero se mueve lentamente a través del tornillo y el barril de la máquina de moldeo por inyección cuando se introduce una dosificación específica de gas de SCF y se mezcla homogéneamente en el compuesto de biopolímero ahora fundido, saturándolo por completo. El compuesto de biopolímero fundido y el SCF son ahora una solución monofásica. Un ejemplo no limitativo de la concentración inicial de gas de SCF puede ser Co = 0.25% con un intervalo de temperatura de fusión de aproximadamente 176 °C y 250 °C, y más preferiblemente en el intervalo de 180 °C.

Además, en varias realizaciones, la temperatura dentro del molde se puede controlar con precisión junto con la presión, por ejemplo en un protocolo de control dinámico de la temperatura del molde (DMTC). Por ejemplo, se puede emplear un proceso de DMTC para asegurar una estructura de celda consistente dentro del fundido de biopolímero en expansión. Particularmente, DMTC puede configurarse para incluir el cambio y control rápidos de la temperatura y/o presión del molde durante la etapa de llenado por inyección. De ese modo, esto controla dinámicamente la temperatura y/o la presión del molde en términos de ciclos térmicos fríos y calientes, con o sin presión.

Por ejemplo, el módulo de control del sistema puede configurarse para controlar la temperatura del molde durante la etapa de llenado por inyección, por ejemplo, en tales casos, puede emplearse un control dinámico de la temperatura del molde. Más particularmente, en comparación con los procesos de moldeo por inyección conocidos convencionalmente, una característica importante del control dinámico de la temperatura del molde empleado en el presente documento es que la propia temperatura del molde puede controlarse dinámicamente. Antes de la inyección en estado fundido de la solución monofásica, el molde puede calentarse primero hasta un límite superior predeterminado. Durante la etapa de llenado de la masa fundida, la temperatura de la superficie de la cavidad del molde puede mantenerse por encima del límite superior para evitar que la masa fundida se solidifique prematuramente. Cuando finaliza el proceso de llenado por fusión, el molde se enfría rápidamente hasta un límite inferior (la temperatura de expulsión), y luego la pieza de espuma moldeada se expulsa fuera de la cavidad del molde.

El control dinámico de la temperatura del molde (DMTC), por ejemplo se implementa en el presente documento, se basa en un método de control basado en el calentamiento rápido de varillas eléctricas y el enfriamiento rápido por agua. Específicamente, el DMTC empleado por esta divulgación consta de cinco componentes principales: un compresor de aire, un dispositivo de intercambio de válvulas, una unidad de control de temperatura del molde controlada por ordenador, un molde calentado eléctricamente y una torre de enfriamiento. La torre de enfriamiento se puede usar para suministrar suficiente agua de enfriamiento al molde. El compresor de aire se utiliza para producir aire comprimido como gas impulsor de las válvulas neumáticas y para impedir que el agua de refrigeración residual entre en el molde después del enfriamiento. El dispositivo de intercambio de válvulas se utiliza para cambiar las válvulas para transferir diferentes medios desde las tuberías hasta el molde, por ejemplo ciclos térmicos frío y caliente.

En consecuencia, en varios casos, las máquinas y procesos del presente documento pueden incluir tuberías y otros conductos para el paso de materiales reactivos, cuyos conductos están asociados con una o más unidades de intercambio de calor, para calentar y/o enfriar los reactivos a medida que se bombean dentro y/o a través de los conductos y tuberías. En tal caso, el intercambiador puede controlarse para ajustar la temperatura al nivel del reactivo. En un extremo de la tubería se puede incluir un cabezal dosificador, que puede estar asociado a una o más válvulas. Además, el cabezal dispensador se puede conectar a una línea de procesamiento. El molde calentado eléctricamente se utiliza para moldear la forma final de las piezas de espuma. La función del control de temperatura del molde es controlar el calentamiento y enfriamiento del molde; todo esto está coordinado con la máquina de moldeo por inyección mediante control por ordenador.

Del mismo modo, como se indicó, la presión también se puede controlar con precisión, por ejemplo a través de un protocolo de contrapresión de gas (GCP). Por ejemplo, se puede utilizar un protocolo de GCP en el proceso de fabricación para garantizar mejor la estructura de espuma óptima del producto final, y hacerlo de manera que haya poca o ninguna superficie en la espuma flexible resultante. Por ejemplo, utilizando este proceso de GCP, se puede inyectar un SCF en una cavidad de molde presurizado, que por sí solo o en conjunto puede funcionar para contrarrestar la expansión del gas dentro de la masa fundida. En particular, a medida que se libera la contrapresión, las burbujas de gas que convencionalmente atravesarían la superficie quedan atrapadas en el interior, creando una superficie suave.

Este proceso de contrapresión de gas evita que las burbujas de gas entren en contacto y atraviesen la superficie del material espumante a medida que se forma la parte espumada. Esto se logra mediante la aplicación de la presión de compensación por parte del sistema de GCP en la cavidad del molde al mismo tiempo o aproximadamente al mismo tiempo que la inyección de solución monofásica fundida y el tiempo de retención. Las burbujas de gas inerte están sujetas a fuerzas inmensas y, por lo tanto, la solución monofásica fundida no tiene la oportunidad de liberar las burbujas atrapadas al exterior de la estructura de espuma mientras se forma. El resultado es una pieza de espuma moldeada con una superficie cosméticamente suave formada en el exterior de la pieza.

En consecuencia, por ejemplo se implementa en el presente documento, el controlador del sistema puede implementar un procedimiento de contrapresión de gas (GCP) que está configurado para mejorar el control del proceso de formación de espuma mediante la aplicación de diferentes presiones de gas en la etapa de inyección de fusión del moldeo por inyección de espuma. Por ejemplo, al controlar los diversos componentes del sistema, el sistema de control puede configurarse para aplicar diferentes presiones de solución monofásica de SCF contenidas en tornillos y presiones de GCP, por ejemplo en conjunto con tamaños de inyección adecuados, tiempos de retención de inyección, temperaturas de fusión, y temperaturas del molde.

De esta manera, se crea un sistema completo mediante el cual se pueden producir piezas de espuma flexible biodegradables e industrialmente compostables de alta calidad y comercialmente aceptables. Específicamente, los cambios sutiles en las presiones de g Cp afectan la calidad de la superficie de la espuma. Por ejemplo, sin el uso de GCP, las burbujas formadas en el polímero fundido ubicado dentro de la cavidad del molde podrían liberarse y la apariencia cosmética de la pieza de espuma resultante podría no ser aceptable. Además, sin el uso de GCP, el grosor de la superficie podría ser indeseablemente grueso ya que no habría contrapresión para contrarrestar el rápido enfriamiento de la solución monofásica fundida a medida que se expande en el molde. En particular, la solución monofásica golpearía los límites del molde de acero durante el disparo de inyección y se solidificaría instantáneamente con una capa gruesa indeseable que no sería aceptable para la mayoría de las aplicaciones comerciales. En resumen, los parámetros del proceso tienen un impacto demostrable en la calidad final de las piezas. En consecuencia, de esta manera, este proceso de GCP puede implementarse de manera que controle la formación de espuma, por ejemplo, a través de uno o más de la calidad de la superficie, la estructura de la espuma, el grosor de la superficie y similares.

Por lo tanto, en varias realizaciones, el sistema puede configurarse para producir un SCF de manera que forme una solución monofásica. Particularmente, en varias realizaciones, se crea una solución de una sola fase, en la que el SCF puede estar: completamente disuelto y uniformemente disperso en el biopolímero fundido, que tiene lugar dentro del barril de inyección bajo condiciones de proceso cuidadosamente controladas. Por ejemplo, como se ha comentado, la formación de una solución monofásica es crítica para producir piezas de espuma moldeada consistentes y producibles en masa de la presente divulgación.

En consecuencia, el proceso del sistema de moldeo por inyección debe configurarse para que sea controlable y repetible de una manera muy uniforme. Para lograr esto, la primera línea de defensa es asegurarse de que los compuestos de biopolímero y el SCF se mezclen homogéneamente en una solución monofásica, como cuando la solución monofásica está completamente saturada y dispersa dentro del biopolímero fundido dentro del barril de la máquina de moldeo por inyección. Una vez que se logra una solución monofásica, el sistema puede ingresar de manera confiable el peso de inyección deseado, el tiempo de espera de inyección y la dosificación de gas de GCP para personalizar una pieza de espuma moldeada infinitamente reproducible en un tiempo optimizado y una forma de producción en masa.

Siendo así, el SCF debe medirse con precisión en el flujo de masa en el biopolímero durante un período de tiempo fijo. Por ejemplo, el módulo de control del sistema puede configurarse de manera que durante el período de dosificación se establezcan dentro del barril las condiciones adecuadas de: temperatura, presión y cizallamiento. Asimismo, la contrapresión, la velocidad del tornillo y la temperatura del barril pueden controlarse con precisión mediante uno o más elementos de control del sistema. Además, el sistema de suministro de SCF se puede modular para establecer las condiciones del proceso que crean una solución monofásica óptima.

Por ejemplo, como se discutió anteriormente, el módulo de control puede acoplarse de forma comunicativa a un dispositivo de medición de flujo de masa asociado al sistema que está configurado para medir el caudal de masa de un fluido que viaja a través de uno o más recipientes, por ejemplo, tubos del sistema. El caudal de masa es la masa del fluido que pasa por un punto fijo por unidad de tiempo. En lo que respecta a la presente divulgación, los principios de la medición del flujo de masa se implementan para garantizar una repetibilidad constante en el proceso de moldeo de espuma. Específicamente, como se describió anteriormente, se acopla un inyector especialmente diseñado al barril de moldeo por inyección que puede controlarse mediante la programación controlada por ordenador de un procesador del sistema. En consecuencia, el sistema se puede configurar para implementar una dosificación de gas de SCF específico en la masa fundida de biopolímero y el programa controlado por ordenador puede optimizar el suministro en función de la recopilación de datos en tiempo real del caudal de masa, por ejemplo a través de la retroalimentación de uno o más sensores del sistema. Este uso de la medición del flujo de masa asegura los controles de proceso más óptimos para la solución monofásica de la presente invención.

En consecuencia, durante el período de dosificación, la temperatura en todo el sistema, por ejemplo dentro del barril, se puede controlar para que esté entre 100 °C y 600 °C, por ejemplo entre 200 °C y 500 °C, por ejemplo, entre 300 °C y 400 °C, y más particularmente, entre los intervalos de 320 °C y 380 °C, incluyendo entre 360 °C y 380 °C dentro del barril. Asimismo, la presión de suministro del SCF se puede controlar finamente para que esté en un intervalo de aproximadamente 1,000 y 8,000 PSI, por ejemplo entre 1,500 y 6,000 PSI, por ejemplo, entre 2,000 y 5,500 PSI, en particular, entre 3,000 y 4,000 PSI, y más particularmente entre los intervalos de 2,600 y 2,800 PSI.

De esta manera, el módulo de control puede configurarse de modo que la temperatura y la presión funcionen en conjunto para generar los núcleos óptimos y las burbujas resultantes dentro del biopolímero fundido y la matriz de espumado resultante. Además, con respecto al cizallamiento, el cizallamiento se establece dentro del barril cuando las capas de biopolímero fundido fluyen entre sí. Por lo tanto, durante la inyección, el compuesto de biopolímero fundido puede fluir a través del canal de suministro del fundido de la boquilla del barril, por ejemplo antes de entrar en el molde como una fuente.

El cizallamiento es el estiramiento del biopolímero entre el tornillo giratorio y el barril estacionario, lo que hace que se desarrolle calor dentro del material. Por lo tanto, el cizallamiento debe controlarse en el proceso de moldeo por inyección. En consecuencia, una o más unidades de control del sistema pueden configurarse para controlar la velocidad de inyección, el tiempo de llenado y la tolerancia del mismo para lograr las condiciones adecuadas para producir un compuesto de biopolímero dado, con un tamaño de máquina de moldeo por inyección dado, y con un tornillo de máquina de moldeo por inyección y un tamaño de barril dados.

La contrapresión también se puede controlar. Por ejemplo, la contrapresión es la presión en una máquina de moldeo por inyección que ejerce el biopolímero cuando se inyecta en el molde. Específicamente, la contrapresión es la resistencia que se aplica al tornillo de inyección a medida que se recupera para cargar la siguiente inyección de biopolímero en el molde. Como se indicó anteriormente, los diversos parámetros del sistema pueden configurarse para controlar y/o modular la contrapresión.

Además, se puede configurar un controlador del sistema para controlar y modular la velocidad del tornillo. La velocidad del tornillo puede controlarse mediante control por ordenador. Como se indicó, durante la fase inicial de la operación de moldeo por inyección, el tornillo gira dentro del barril para homogeneizar la mezcla del compuesto de biopolímero fundido junto con el gas de SCF. Un ejemplo no limitativo de las velocidades del tornillo de la presente divulgación puede ser de 1 o 5 o 10 a 75 o 100 o 200 rpm, por ejemplo, de 20, 25 o 30 a 40, 50 o 60 rpm.

El sistema puede incluir una unidad de control de calentamiento y/o enfriamiento que puede estar asociada con el barril, para controlar la temperatura en el mismo. En consecuencia, el módulo de control puede configurarse para controlar la temperatura del barril. Por lo tanto, la temperatura del barril puede controlarse para hacer que la temperatura del mismo sea más caliente o más fría según sea necesario para el proceso de formación de espuma.

En consecuencia, en vista de lo anterior, el sistema de suministro de SCF puede incluir una unidad de control que está configurada para controlar una combinación de presión de suministro de SCF y el peso de la dosis de s Cf, que normalmente se mide en gramos. La presión y la dosis de SCF pueden controlarse de manera que afecten a la solución monofásica. Es decir, cuanto menor sea la dosis de SCF, menor será la saturación de SCF dentro de la masa fundida de biopolímero, mientras que cuanto mayor sea el SCF, mayor será la saturación de SCF necesaria dentro de la masa fundida. Del mismo modo, cuanto menor sea la presión de suministro de SCF, menor será la absorción de la saturación y, por lo tanto, menor será el crecimiento de los núcleos que pueden crecer para formar burbujas dentro de la masa fundida del biopolímero fundido. Y cuanto mayor sea la presión de suministro de SCF, mayor será la absorción de la saturación y, por lo tanto, mayor será el crecimiento de los núcleos que pueden crecer para formar burbujas dentro de la masa fundida.

Con respecto a la saturación, el sistema y el aparato están configurados para suministrar un gas a la cámara de fusión bajo una temperatura y una presión tal que se forme un fluido supercrítico y se sature dentro de la masa fundida de biopolímero, por ejemplo durante la rotación del tornillo. En consecuencia, se crea una solución monofásica bajo temperatura y presión controladas. Específicamente, se puede obtener en el presente documento una fase única de solución mixta de polímero-SCF a temperatura y presión definidas dentro del tornillo y el barril de la máquina de moldeo por inyección. Más específicamente, el controlador del sistema puede controlar de forma variable la temperatura y la presión de una manera que depende del tipo de espuma flexible que se produce y para qué tipo de producto final se produce.

En esta etapa, la concentración de SCF se puede determinar y controlar, por ejemplo, mediante un circuito de retroalimentación, mediante el cual se determina la cantidad de saturación, por ejemplo, a través de un sensor, que evalúa la progresión del proceso de saturación y luego modula la presión del proceso de microceldas y la temperatura de mezcla para lograr un punto de referencia determinado para el nivel de saturación. En tal caso, el fluido supercrítico (SCF) se satura de forma controlada dentro del biopolímero fundido durante la rotación del tornillo y esto crea una solución monofásica bajo una temperatura y presión definidas. El SCF es una parte de una mezcla de compuesto de biopolímero fundido de dos partes y se utiliza como agente de expansión físico en presencia de presión y temperatura definidas en el presente molde de inyección.

En consecuencia, en vista de lo anterior, en un aspecto, se proporciona en el presente documento una máquina y un método para usar la misma para la producción de una espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable. Particularmente, en un caso, la espuma se produce y/o se usa en la producción de productos espumados, por ejemplo a través de un proceso de moldeo por inyección de microceldas (MuCell), por ejemplo, fabricación de MuCell. La fabricación de MuCell emplea un fluido supercrítico, como se describió anteriormente, que se somete a una presión extrema y se disuelve en un polímero fundido dentro de un barril de tornillo de una herramienta de fabricación, como se describe a continuación, que está configurado para optimizar la dosificación de SCF con el fin de generar una masa fundida de biopolímero fundido que se calienta hasta un estado líquido.

Por lo tanto, en el corazón de la máquina de moldeo por inyección se encuentra el barril de la máquina de moldeo por inyección y el tornillo que contiene, ambos comúnmente hechos de acero para herramientas. El barril es el principal portal de suministro para la presente solución monofásica antes de medirse y luego presionarse o "dispararse" en el componente de molde de temperatura controlada dinámicamente. En consecuencia, la masa fundida de biopolímero se introduce en el barril a través de la tolva de la máquina de moldeo por inyección. Y el controlador del sistema alimenta una cantidad dada de gránulos de bioplástico granular en la tolva como uno de las primeras etapas en la operación de la máquina de moldeo por inyección.

Específicamente, durante la inyección, el SCF se evapora y se convierte en burbujas de gas, por ejemplo, espuma en forma de piezas moldeadas terminadas. Debido a que las burbujas alcanzan tamaños de micras, el proceso produce espuma de microceldas. El proceso descrito en el presente documento es ventajoso sobre las tecnologías de inyección convencionales, porque da como resultado un producto resultante que evidencia uno o más de los siguientes: menos encogimiento, productos livianos, con pocas marcas de hundimiento y puede generarse con precursores de bajo coste. Más específicamente, con respecto a una menor contracción, la contracción se puede controlar entendiendo que la contracción volumétrica es causada por la contracción térmica, que afecta a todos los polímeros y, por lo tanto, la contracción se puede evitar al rastrear el progreso de la contracción, a través de un sensor del sistema, y controlar con precisión las condiciones del barril para modular el proceso de contracción.

Esencialmente, la contracción describe la medida en que el material cambia de volumen cuando cambia de líquido a sólido. En el moldeo por inyección convencional, la temperatura de los moldes no se controla con presión, por lo que los polímeros fundidos utilizados por los métodos convencionales se contraen al entrar en contacto con el acero frío para herramientas del molde de inyección, y esto provoca la contracción. En las máquinas y sistemas actuales, la contracción se puede controlar y, por lo general, no es un problema debido al molde presurizado con temperatura controlada que garantiza que el biopolímero fundido llene el área de superficie máxima dentro del molde sin enfriamiento prematuro, así como la tensión uniforme aplicada de la propia cavidad del molde presurizado ayudando aún más en este sentido.

Con respecto a la producción de productos de bajo peso, por regla general, cuanto más se expande un polímero, mayor es la reducción de peso. El presente sistema, sin embargo, está configurado para optimizar la solución monofásica modulando las condiciones mediante la aplicación de presión, temperatura y tiempo apropiados, de modo que se pueda lograr la calidad óptima de una espuma de bajo peso. Esto es bueno para aplicaciones de productos que requieren una espuma liviana, como por ejemplo, espumas para calzado y espumas que se usan para producir equipos deportivos. Asimismo, con respecto al control de las marcas de hundimiento en la fabricación de espuma flexible convencional, las marcas de hundimiento y los huecos son causados por la contracción localizada del material en secciones gruesas sin suficiente compensación cuando la pieza se está enfriando.

En particular, una marca de hundimiento se produce típicamente en una superficie opuesta y/o contigua a una pata o costilla. Esto ocurre debido a una eliminación de calor desequilibrada y/o factores similares. Después de que el material en el exterior de la parte espumada se haya enfriado y solidificado, el material del núcleo comienza a enfriarse. Su contracción tira de la superficie de la pared principal hacia adentro, provocando una marca de hundimiento. Si la superficie es lo suficientemente rígida, la deformación de la superficie puede ser reemplazada por la formación de un hueco en el núcleo.

A diferencia de los desafíos de huecos y marcas de hundimiento que se enfrentan con el moldeo de espuma flexible convencional, la configuración de la máquina y los parámetros del sistema actual son controlables para producir una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable de la presente divulgación que minimiza el encuentro de estos problemas. Particularmente, en el presente proceso, el gas de SCF se controla de manera que modula, por ejemplo, maximiza, la estructura de la celda de la matriz polimérica dentro del proceso de formación de espuma. Esta maximización del proceso de formación de espuma especializado asegura mejor que no haya marcas de hundimiento o huecos indeseables dentro de la pieza espumada final.

Además, como se indicó, un beneficio útil del presente sistema es que utiliza materiales de bajo coste y los productos finales producidos tienen menos deformación. Particularmente, por muchas de las razones discutidas anteriormente, la presente divulgación se beneficia de un proceso en el que el gas de SCF es responsable de maximizar la estructura de la celda de la matriz polimérica dentro del proceso de formación de espuma. Esta maximización del proceso de espumado especializado garantiza que haya una deformación mínima dentro de la pieza final espumada.

Otro beneficio del presente sistema es que puede configurarse para controlar las tolerancias. Por ejemplo, el sistema puede configurarse para realizar moldeo por inyección de espuma flexible de tolerancia estrecha. Particularmente, el moldeo por inyección de espuma flexible de tolerancia estrecha como se presenta en el presente documento puede emplearse para producir piezas que funcionen juntas sin problemas y contribuyan a una tasa global de fallas más baja para el producto.

Para que un producto funcione de manera confiable y de acuerdo con lo previsto, todas sus partes deben encajar sin problemas. En consecuencia, los presentes aparatos y sus componentes han sido diseñados para controlar estrictamente las tolerancias. Por lo general, estas piezas se fabrican con la mejor tolerancia posible. Hay diferentes intervalos de tolerancias aceptables; por ejemplo, una tolerancia muy estrecha es "+/- 0.001". A veces, incluso unas pocas milésimas de pulgada pueden significar la diferencia entre una pieza que encaja y otra que no.

En consecuencia, es útil identificar las tolerancias estrechas al principio de la fase de diseño. Esto se debe a que los ingenieros de diseño deben tener en cuenta los requisitos para la geometría de la pieza de espuma, el tamaño total de la pieza de espuma y el grosor de la pared de la pieza de espuma, todos los cuales influyen en el control de la tolerancia y pueden exacerbar las marcas de hundimiento, la deformación y la tolerancia de piezas inconsistentes si no se manejan con cuidado. Los sistemas y aparatos presentes superan la mayoría de estos desafíos de diseño, mientras siguen utilizando las mejores prácticas de diseño, ya que el gas de ^sC^fes responsable de maximizar la estructura de celda de la matriz polimérica dentro del proceso de formación de espuma. Asimismo, el sistema puede configurarse para enfriar más rápidamente dentro de los moldes.

Como resultado de lo anterior, se reducen considerablemente las marcas de hundimiento, las deformaciones y las inconsistencias en la tolerancia. Esto se debe en gran parte a las celdas microscópicas de tamaño uniforme y uniformemente distribuidas dentro de la matriz espumada. En consecuencia, para lograr estos beneficios, el proceso de formación de espuma de microceldas debe controlarse con precisión. Por ejemplo, como se indicó, cuando se produce espuma a lo largo del frente de fusión, el avance puede introducir rayas y marcas de flujo en la superficie moldeada, provocando así imperfecciones.

Además de lo anterior, estas imperfecciones pueden minimizarse aún más empleando una o más tecnologías de inyección conjunta y decoración en el molde. Sin embargo, en muchos casos, esto puede tener un coste prohibitivo. No obstante, el presente sistema supera tales instancias de coste prohibitivo al seleccionar oportunidades de productos premium donde los valores agregados de la presente divulgación pueden aceptarse y apreciarse.

Cabe señalar que en varios casos puede haber desventajas para la formación de espuma de SCF, ya que en algunos casos puede causar cambios en la viscosidad del fundido y otras propiedades físicas. En particular, cuando se difunde uniformemente SCF en un polímero fundido, la solución monofásica actúa como un agente plastificante reversible al reducir la viscosidad del polímero al aumentar el volumen libre. Este efecto también reduce la temperatura de transición vítrea de los polímeros así como la resistencia a la tracción de los mismos. Esto puede conducir a tamaños de burbuja no uniformes.

Los tamaños de burbuja no uniformes conducen potencialmente a la producción de una pieza de espuma moldeada que tiene propiedades de rendimiento técnico inconsistentes en toda la pieza y también problemas estéticos potencialmente no deseados. Ambos son problemas cuando se intenta producir una espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable reproducible consistentemente que contiene las mismas propiedades de rendimiento técnico de parte a parte durante la producción en masa. El presente sistema está configurado para superar estas dificultades.

En consecuencia, como se ha comentado anteriormente, para superar estas desventajas, y para controlar más finamente el proceso de formación de espuma de microceldas, se emplea la contrapresión de gas (GCP) comentada anteriormente. Como se discutió anteriormente, la contrapresión del gas se controla finamente de manera que las burbujas de gas se regulan para que no entren en contacto y atraviesen la superficie del material espumante a medida que se forma la parte espumada. Esto se logra mediante la aplicación de la presión de compensación por parte del sistema de GCP en la cavidad del molde, que puede ser al mismo tiempo o aproximadamente al mismo tiempo que se inyecta la solución monofásica fundida, mientras se controla el tiempo de retención dentro del molde. La temperatura y la presión del molde también pueden controlarse con precisión para estos fines.

Una vez inyectadas, las burbujas de gas inerte están sujetas a fuerzas inmensas y, por lo tanto, la solución monofásica fundida no tiene la oportunidad de liberar las burbujas atrapadas al exterior de la estructura de espuma mientras se forma. Del mismo modo, las inmensas fuerzas que se ejercen sobre la solución monofásica ayudan a distribuir mejor los millones de burbujas diminutas dentro de la estructura de espuma dentro del molde, así como a ayudar con la consistencia del tamaño de las burbujas. El resultado es una pieza de espuma moldeada con una superficie cosméticamente suave formada en el exterior de la pieza y un tamaño de burbuja consistente para propiedades de desempeño técnico repetibles de pieza a pieza durante la producción en masa.

Por ejemplo, el sistema puede configurarse para permitir la introducción de GCP para controlar el proceso de formación de espuma, por ejemplo, aplicando diferentes presiones y/o temperaturas de gas en la etapa de inyección en estado fundido. En consecuencia, la GCP se introduce en el proceso de formación de espuma dentro de la cavidad del molde que se encuentra dentro de la máquina de moldeo por inyección. Primero, un gas inerte es bombeado por un compresor de gas y una bomba de gas hacia la cavidad del molde a través de una válvula de control de gas. Un sensor de presión de gas alimenta datos en tiempo real desde el valor de control de gas a un controlador de ordenador

El sistema inicia la dosificación de GCP en la cavidad del molde al configurar los parámetros de dosificación y los tiempos de espera dentro del sistema informático. Luego, el sistema informático inicia la dosificación adecuada de la inyección de GCP inerte en la cavidad del molde. Sin el uso de GCP, el biopolímero fundido entraría en la cavidad del molde e inmediatamente comenzaría a formar espuma, generando burbujas de gas no uniformes que atravesarían la superficie y crearían marcas de remolinos indeseables en el exterior de la espuma, lo cual es problemático.

Del mismo modo, la velocidad de inyección también se puede controlar con precisión, como cuando la velocidad de inyección se puede determinar por la diferencia entre la presión del tornillo (Ptornillo) y la presión del gas (Pgas). Específicamente, cuando Ptornillo es ligeramente más alto que Pgas, y ambos parámetros son lo suficientemente altos, la masa fundida disuelta en SCF fluye hacia la cavidad del molde sin formar espuma. El ajuste de Ptornillo más alto que Pgas y Pgas más bajo que la presión crítica da como resultado una formación parcial de espuma. Finalmente, la elección adecuada de Ptornillo, Pgas y diferencia de presión combinada con la temperatura dinámica del molde permite un control más preciso del tamaño de la burbuja. En consecuencia, mediante el ajuste fino de estos parámetros, las estrías inducidas por el flujo pueden minimizarse, si no eliminarse por completo.

Específicamente, estos parámetros pueden determinarse en parte por una consideración del comportamiento del flujo. Por ejemplo, en una realización, se produjo un (flujo) reológico con el comportamiento de un polímero fundido que se ha disuelto con 0.4% en peso de s Cf de N2, bajo diferentes temperaturas de molde (185, 195 y 205 °C, velocidades de inyección (5, 10 y 15 mm/s de velocidad del tornillo) y GCP (5o, 100, 200 y 300 bar). En tal caso, la velocidad de cizallamiento medida estaba dentro del intervalo de 3000-11000 s-1, y la temperatura de transición vítrea, Tg, se redujo de 96 a 50 °C, cuando la GCP era de 300 bar. Asimismo, en este caso, en comparación con el moldeo por inyección convencional, la viscosidad del fundido se redujo en aproximadamente un 30 % cuando se incrementó la GCP de 50 a 200 bar.

Específicamente, cuando la GCP es de 300 bar, la viscosidad de la masa fundida de inyección monofásica sin formación de espuma se puede reducir hasta en un 50 %, dependiendo de las condiciones de inyección. Esto es útil porque reduce los requisitos de presión y temperatura, lo que reduce el coste de fabricación, específicamente los costes de energía, y también reduce el tiempo de ciclo de las piezas espumadas durante la producción. En consecuencia, estos parámetros del sistema permiten un mayor ahorro de energía debido a los requisitos más bajos de presión y temperatura, y menos tiempos de ciclo, lo que se traduce en más piezas producidas más rápido y por menos dinero, por ejemplo, seleccionando el compuesto de biopolímero adecuado y adaptando las temperaturas, presiones y condiciones del proceso. y tiempos de espera para adaptarse a las propiedades mecánicas de los materiales.

Además, como se indicó, una característica importante de las presentes máquinas y sistemas es que pueden configurarse para controlar el tamaño de la burbuja para que sea más uniforme. Como se discutió anteriormente, esto puede efectuarse en parte controlando la temperatura, la presión, el control de dosificación de SCF, GCP, DMTC y otros parámetros discutidos anteriormente. Todos estos atributos funcionan en conjunto para garantizar los tamaños de burbuja más uniformes y óptimos y su dispersión homogénea óptima dentro de la matriz espumada. Además, la calidad de la superficie puede mejorarse controlando la deriva del fluido a lo largo del frente de fusión.

Como sugiere su nombre, el frente de fusión es el punto en el que la solución monofásica fundida ingresa a la cavidad de moldeo. La velocidad del frente de fusión es la velocidad de avance del frente de fusión. Para cualquier molde que tenga una geometría de cavidad compleja, parte de la cavidad puede llenarse más rápido que otras áreas. Al controlar la velocidad del frente de fusión, por ejemplo, al controlar la temperatura, la presión y el control de dosificación de SCF, entre otros parámetros, se puede lograr una velocidad de llenado de la cavidad del molde más uniforme, y esto asegura que la calidad de la superficie de la pieza de espuma resultante puede ser cosméticamente aceptable.

En consecuencia, una vez que se ha creado la solución monofásica, la máquina de moldeo por inyección modificada, como se ha descrito anteriormente, mantiene la solución en un estado presurizado hasta el inicio de la inyección. Por ejemplo, la máquina puede configurarse para lograr esto a través de los esfuerzos combinados de una boquilla de cierre y control de posición del tornillo, como se indicó anteriormente. En particular, la boquilla de cierre puede estar configurada para servir como conexión entre el barril de plastificación (con tornillo alternante) y el molde. Tales boquillas de cierre pueden ser autocontroladas o controladas externamente, y pueden usarse para evitar el goteo de la masa fundida entre inyecciones fundidas y así evitar la despresurización y la formación prematura de espuma en el molde.

En consecuencia, la boquilla de cierre evita la despresurización y la formación prematura de espuma en el molde. Por ejemplo, sin una boquilla de cierre, la solución monofásica no tendría suficiente presión dentro de la cavidad del molde y no se produciría la pieza de espuma moldeada deseada. Asimismo, puede emplearse un control de posición de tornillo activo o pasivo para evitar la despresurización a través del movimiento hacia atrás del tornillo.

En particular, el sistema puede configurarse para implementar un control activo de la posición del tornillo, como cuando la posición del tornillo se monitorea continuamente y la presión aplicada a la parte posterior del tornillo se ajusta para mantener un punto de ajuste de posición determinado o una presión constante que se sostiene en la parte posterior del tornillo. Por ejemplo, en el control de posición pasivo, se evita que el aceite utilizado para regular la contrapresión se drene a su tanque al final de la recuperación del tornillo. Este aceite residual evita que el tornillo retroceda debido a la presión de la solución monofásica.

Además, como se indicó anteriormente, un diseño de molde adecuado ayuda a mantener la solución monofásica. Específicamente, en aquellos casos en los que un molde incluye un sistema de canal caliente, se pueden incluir y controlar una o más compuertas de válvula para evitar que el material gotee desde las boquillas, como cuando se abre el molde. Más particularmente, un sistema de canal caliente se puede usar en el presente documento en el aparato de moldeo por inyección y puede incluir un sistema de piezas que se calientan físicamente de manera que se pueden usar más eficazmente para transferir plástico fundido desde la boquilla de la máquina a la cavidad de la herramienta de moldeo. Por ejemplo, se puede usar un canal "frío" o "caliente", como cuando un canal frío es un canal físico sin calentar que se emplea para dirigir el plástico fundido a la cavidad del molde después de que sale de la boquilla, y los canales calientes se calientan mientras que los canales fríos no.

Asimismo, en varios casos, el aparato puede incluir un freno de boquilla que está configurado para romper el contacto con el casquillo del bebedero durante el funcionamiento normal. Esta configuración es útil en moldes apilados o en tándem, que emplean un cierre en el casquillo del bebedero. En particular, el casquillo del bebedero puede configurarse para aceptar la boquilla de la máquina y, por tanto, permitir que los compuestos de biopolímero fundidos entren en el molde. En el caso de que la boquilla de la máquina deba desconectarse para que no haga contacto con el casquillo del bebedero, el compuesto de biopolímero fundido puede gotear hacia atrás desde el casquillo del bebedero y se puede producir la despresurización del molde. Cualquier desecho de baba fundida puede aumentar los costes de producción, afectar negativamente la siguiente inyección de la masa fundida e incluso puede impedir el cierre adecuado del molde, lo que podría crear aún más problemas.

Para superar esto, se puede emplear la selección de un casquillo de bebedero con cierre. De lo contrario, la presión del canal caliente se liberará a través del casquillo del bebedero. En particular, cuando un casquillo de bebedero requiere un cierre, el cierre evita que se escape la presión acumulada en el molde, además de los otros beneficios mencionados anteriormente. Cualquier despresurización del molde evitaría potencialmente la espumación de la pieza fundida y, como resultado, no se formaría la pieza moldeada deseada.

Como se indicó anteriormente, se puede utilizar una variedad de agentes espumantes para el moldeo por inyección de las espumas de microceldas biodegradables e industrialmente compostables. En casos particulares, estos agentes espumantes pueden incluir gases inertes y/o nobles, tales como gas nitrógeno inerte o dióxido de carbono u otros gases capaces de convertirse en un estado de fluido supercrítico (SCF). De acuerdo con los aparatos, sistemas y sus métodos de uso divulgados en el presente documento, el SCF se puede introducir, por ejemplo, inyectar, en la maquinaria, por ejemplo, en el barril de fusión, a través de un inyector controlado por ordenador especialmente diseñado que se puede acoplar, por ejemplo, fijado al barril de la máquina de moldeo por inyección para alimentar el agente espumante en el biopolímero fundido dentro del barril. El controlador de la máquina de moldeo por inyección se puede programar para suministrar una cantidad de dosificación específica de gas SCF, ya sea nitrógeno o dióxido de carbono o similar, en la masa fundida de biopolímero, cuya distribución se puede optimizar mediante el controlador del sistema.

En consecuencia, cada uno de los agentes espumantes de SCF mencionados anteriormente tiene su lugar, dependiendo de los requisitos técnicos de la pieza final que se está produciendo. Particularmente, como se indicó, un SCF útil es el dióxido de carbono en su estado supercrítico, que es más denso que el nitrógeno a la misma presión pero tiene una capacidad calorífica mucho mayor. Los experimentos han demostrado que el dióxido de carbono en estado supercrítico produce espumas densas que pueden ser útiles en ciertas aplicaciones de amortiguación. Por el contrario, se puede usar nitrógeno supercrítico para producir la pieza espumada de baja densidad con celdas más pequeñas que es útil para las aplicaciones de calzado y artículos deportivos de la presente divulgación.

En consecuencia, un agente espumante útil para producir artículos deportivos, tales como calzado, es el gas nitrógeno de SCF, ya que proporciona una reducción de peso mejorada y una estructura de celda fina en porcentajes de peso mucho más bajos que el dióxido de carbono de SCF, pero para usos en muebles y automóviles, un agente espumante útil es el dióxido de carbono que produce una estructura de celda mucho más grande, aunque de mayor tamaño y/o peso. Específicamente, en varios casos, la reducción de peso mejorada de las piezas de espuma es una característica útil para aplicaciones de productos que requieren la menor cantidad de peso. Como ejemplo no limitante, existe una necesidad constante de zapatillas para correr que contengan espumas flexibles que sean muy ligeras y que demuestren la capacidad de resistir el abuso repetido.

Al ofrecer una reducción de peso mejorada con una estructura de celda fina en el ejemplo mencionado anteriormente, se confiaría en la parte de espuma flexible moldeada por inyección por su capacidad para aumentar la eficiencia del corredor mediante la fabricación de un calzado aceptablemente liviano. Además, la estructura de celdas finas de la espuma antes mencionada garantizaría una zapatilla para correr muy duradera con componentes que serían capaces de manejar fuerzas de impacto repetidas que surgen del corredor que aplica presión e impacto constantemente sobre las partes de espuma de las zapatillas mientras se encuentra en locomoción acelerada.

De hecho, los niveles de nitrógeno de SCF normalmente serán al menos un 75 por ciento más bajos que el nivel de dióxido de carbono de SCF requerido para lograr piezas comparables. Siendo así, los requisitos de nivel de nitrógeno de SCF muy reducidos en comparación con el dióxido de carbono de SCF aseguran ahorros de material y ahorros de tiempo óptimos cuando se producen en masa las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación como se emplean en la fabricación de componentes de calzado. Sin embargo, el dióxido de carbono de SCF es un agente espumante útil en una variedad de situaciones particulares, como cuando la reducción de la viscosidad es el objetivo principal del procesamiento y/o cuando la aplicación no puede tolerar la acción espumante más agresiva del nitrógeno de SCF.

En ciertos casos, el dióxido de carbono de SCF es un agente espumante adecuado, particularmente en espumas semiflexibles. Tanto las espumas flexibles como las semiflexibles pueden incluirse en la misma categoría de espumas flexibles, ya que ambas se derivan de polímeros con una transición vítrea (Tg) por debajo de su temperatura de servicio, que suele ser a temperatura ambiente. Durante el proceso de formación de espuma física con un agente de expansión físico, se observa una depresión en la transición vítrea. Estas diferencias en la eficacia de los agentes espumantes de nitrógeno y dióxido de carbono se derivan de su comportamiento en la masa fundida de biopolímero.

Por ejemplo, el dióxido de carbono, que se convierte en fluido SCF a 31.1 Celsius y 72.2 bar, es de 4 a 5 veces más soluble en biopolímeros que el nitrógeno, que se convierte en fluido supercrítico a -147 Celsius y 34 bar. Por ejemplo, el punto de saturación en un biopolímero sin relleno es de aproximadamente 1.5 a 2 por ciento en peso de nitrógeno, de acuerdo con las condiciones de temperatura y presión, mientras que el nivel de saturación de dióxido de carbono está más cerca del 8 por ciento en peso. El dióxido de carbono también exhibe una mayor movilidad en el biopolímero, lo que le permite migrar más hacia las burbujas existentes que el nitrógeno. Desde la perspectiva de la nucleación de celdas, una mayor solubilidad y movilidad significa que se nuclearán menos celdas, y las que se nuclean tenderán a ser más grandes.

Sin embargo, la solubilidad se convierte en una ventaja cuando el objetivo es la reducción de la viscosidad. Un SCF disuelto en un biopolímero actúa como agente plastificante, reduciendo la viscosidad del biopolímero. Debido a que la reducción de la viscosidad es en parte una función de la cantidad de SCF añadida al biopolímero y debido a que el dióxido de carbono tiene un límite de solubilidad más alto que el nitrógeno, la capacidad de reducir la viscosidad con dióxido de carbono es mayor. El dióxido de carbono también es útil cuando la cantidad de nitrógeno necesaria para producir una pieza es tan baja que no es posible procesar las piezas de forma consistente.

Dado que el dióxido de carbono es un agente espumante mucho menos agresivo, hay momentos en los que es más fácil pasar niveles bajos de dióxido de carbono. Por ejemplo, 0.15 o 0.2 por ciento de dióxido de carbono en comparación con niveles muy bajos de nitrógeno de menos de 0.05 por ciento. Los casos, como se indica en el ejemplo anterior, ocurren principalmente con materiales blandos y piezas con secciones transversales gruesas. En consecuencia, el agente espumante físico, ya sea nitrógeno de SCF o dióxido de carbono de SCF u otro SCF, juega un papel útil en las partes espumadas finales y los productos eventuales que las contendrán.

En primer lugar, es útil seleccionar la combinación apropiada de biopolímero compatible o compuesto de biopolímero y el gas de SCF asociado. En segundo lugar, utilizar adecuadamente el gas de SCF a través de la presión y el peso de dosificación óptimos es fundamental para garantizar la máxima saturación dentro de la solución monofásica y para garantizar la generación óptima de núcleos para producir millones de burbujas uniformes dentro de la matriz de espuma. Además, el resultado final, una pieza de espuma flexible moldeada por inyección de forma homogénea, se basa en todos los aspectos del proceso de dosificación de gas de SCF y GCP que trabajan en simbiosis con la temperatura, la presión y el tiempo de espera de la máquina de moldeo por inyección para lograr piezas de espuma moldeadas comercialmente aceptables, como se explicó anteriormente.

Como se indica, en un aspecto, se proporciona un proceso de fabricación de espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables, ya sea de celda abierta o de celda cerrada. En varios casos, el proceso de fabricación incluye una o más de las siguientes etapas. Primero, se puede mezclar un biopolímero termoplástico en un lote maestro para la formación de espuma. Como ejemplo no limitativo, el lote maestro al que se hace referencia se puede producir mediante una extrusora de doble tornillo en la que dos o más biopolímeros, rellenos y/o aditivos se pueden mezclar homogéneamente en una sola masa fundida de polímero, por ejemplo dentro del barril de extrusión. La mezcla de biopolímeros fundidos se extruye, se enfría y se peletiza en gránulos llamados lote maestro, que luego se pueden procesar como se describió anteriormente. Cualquier combinación de biopolímeros, bioplásticos, rellenos, aditivos y colorantes adecuados puede incorporarse a la producción de lote maestro. En consecuencia, una vez producida, la mezcla de biopolímeros termoplásticos se puede moldear por inyección en una forma de molde adecuada con un SCF, por ejemplo nitrógeno inerte o gas dióxido de carbono.

Como se describió anteriormente, el presente moldeo por inyección puede emplearse en un proceso de fabricación para producir piezas mediante la inyección de material fundido en un molde de producto. En la presente divulgación, se selecciona un biopolímero adecuado o un compuesto combinado de biopolímero, por ejemplo en forma granular. Los gránulos antes mencionados se pueden secar previamente en un secador de gránulos auxiliar para asegurar que se elimine cualquier humedad latente. A continuación, los gránulos previamente secados pueden introducirse en la tolva de la máquina de moldeo por inyección. Luego, el operador selecciona las temperaturas óptimas del barril, la temperatura de la boquilla y las temperaturas del molde de la máquina de moldeo por inyección, e ingresa estos valores mediante control por ordenador.

Además, la presión y el porcentaje de dosificación de gas de SCF óptimos, así como la presión y la dosificación de gas de GCP óptimas pueden escalarse y estos valores pueden ingresarse o determinarse de otro modo por la unidad de control del sistema, por ejemplo, dinámicamente. Una vez que el sistema está correctamente configurado, la máquina de moldeo por inyección está lista para funcionar. Los gránulos pueden liberarse en el tornillo y el barril de la máquina de moldeo por inyección en una cantidad especificada por el control del ordenador donde se funden a una temperatura específica o un conjunto de temperaturas.

El gas de SCF se introduce en el barril de la máquina de moldeo por inyección a través del inyector de SCF controlado por ordenador bajo presión y tamaño de dosis controlados. El SCF satura los gránulos ahora fundidos y se genera una solución monofásica. Luego, con la contrapresión adecuada y el posicionamiento del tornillo, la máquina de moldeo por inyección envía una dosis medida de solución monofásica a la cavidad del molde con temperatura controlada dinámicamente. El crecimiento de núcleos se experimenta dentro de la masa fundida y se forman millones de burbujas de microceldas dentro de la masa fundida de biopolímero. Prácticamente de forma simultánea, el sistema de GCP envía una dosis previamente medida de gas a contrapresión al molde mediante control por ordenador que optimiza la uniformidad de las celdas y acondiciona la textura de la superficie para una apariencia cosmética óptima. La temperatura del molde con control dinámico de la temperatura puede cambiarse entonces a refrigeración por agua y se detiene la formación de burbujas y la expansión de la masa fundida. En este punto, la pieza moldeada de espuma flexible ahora está formada y es expulsada del molde.

En particular, como se indicó anteriormente, el sistema puede configurarse para implementar un control dinámico de la temperatura del molde, que puede usarse para producir una estructura de celda óptima. Por ejemplo, como se ha descrito, el control dinámico de la temperatura del molde (DMTC) implementa un rápido calentamiento eléctrico de varillas y un rápido enfriamiento por agua. Más particularmente, el procedimiento de DMTC empleado en el presente documento puede incluir uno o más de los siguientes cinco componentes principales: un compresor de aire, un dispositivo de intercambio de válvulas, una unidad de control de temperatura del molde controlada por ordenador, un molde calentado eléctricamente y una torre de enfriamiento. La torre de refrigeración está configurada para proporcionar agua de refrigeración al molde, para la realización de operaciones de refrigeración, mientras que un compresor de aire adecuadamente configurado genera aire comprimido para impulsar el gas a través de válvulas neumáticas para evitar que el agua de refrigeración residual entre en el molde después del enfriamiento. Se pueden configurar y emplear uno o más dispositivos de intercambio de válvulas para cambiar las válvulas para transferir diferentes medios desde las diversas tuberías de la máquina al molde, por ejemplo para ciclos térmicos fríos y calientes. Puede incluirse y configurarse un elemento de calentamiento controlado eléctricamente para moldear la forma final de las partes espumadas. Juntos, la torre de agua y el elemento calefactor pueden funcionar para controlar con precisión la temperatura del molde, de modo que el calentamiento y enfriamiento del molde puedan calentarse y/o enfriarse rápidamente durante la realización del proceso de moldeo.

Todo esto está coordinado con la máquina de moldeo por inyección por el procesador del ordenador convenientemente configurado. Por ejemplo, un ejemplo no limitativo del control de la temperatura del agua de refrigeración del sistema de DMTC de la presente invención puede ser de 15 a 30 °C, y otro ejemplo no limitativo del intervalo de temperatura del elemento de calentamiento del sistema de DMTC puede oscilar entre 60 °C a 150 °C, y puede estar en el intervalo de 90 °C a 130 °C, y puede haber cualquier temperatura intermedia. De esta manera, la masa fundida, la presión y el tiempo del biopolímero se pueden controlar de manera que se forme una espuma flexible deseable.

En particular, durante el proceso de moldeo por inyección de la presente divulgación, se inyecta SCF en el polímero fundido. Se obtiene una sola fase de solución mixta de polímero-SCF bajo temperatura y presión definidas dentro del tornillo y el barril de la máquina de moldeo por inyección. La temperatura y la presión se pueden controlar de forma variable mediante control por ordenador y se relacionan directamente con el tipo de espuma flexible que se produce y para qué tipo de aplicación del producto final. Mediante la aplicación de diferentes presiones de soluciones monofásicas de SCF contenidas en el tornillo y presiones de GCP, junto con tamaños de inyección, tiempos de retención de inyección, temperaturas de fusión y temperaturas de molde adecuados, se crea un sistema completo mediante el cual se fabrican materiales biodegradables e industriales de alta calidad y comercialmente aceptables. Se pueden producir piezas de espuma flexibles compostables, por ejemplo, mediante la utilización de contrapresión de gas en el proceso de moldeo por inyección para garantizar la estructura de espuma óptima con la menor cantidad de defectos estéticos y poca o ninguna superficie plástica en el exterior de la pieza espumada.

Como se indicó, un beneficio útil de los productos producidos de acuerdo con los dispositivos, sistemas y sus métodos descritos en el presente documento es que pueden ser biodegradables y/o compostables, por ejemplo en un protocolo de compostaje doméstico o industrial. En particular, la producción de bienes que están configurados para descomponerse en un régimen de compostaje industrial asegura que la espuma flexible durará la vida útil del producto resultante, por ejemplo, al funcionalizarlo de manera que no se descomponga o se deshaga a mitad de uso dentro de los productos terminados. Por ejemplo, sería perjudicial para una persona comprar muebles, un par de zapatos u otro equipo deportivo fabricado con la espuma flexible de esta divulgación solo para que la espuma se degrade durante el uso regular antes del final de la vida útil del producto.

Más particularmente, la presente divulgación se beneficia del uso de un agente espumante físico inerte y biopolímeros o compuestos de biopolímeros biodegradables e industrialmente compostables. Estos dos aspectos se unen para formar una solución monofásica que se funcionaliza dentro de un sistema especializado de moldeo por inyección de espuma flexible. El resultado son espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables para su uso en numerosos tipos de productos finales; un ejemplo no limitativo de los cuales son las espumas para calzado para su uso en la fabricación de calzado. Las espumas flexibles resultantes no están entrecruzadas, no contienen productos químicos y son benignas para el medio ambiente.

Al final de la vida útil de las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables, se puede redirigir a través de la desviación de desechos a instalaciones de compostaje industrial adecuadas en las que la espuma se muele y se convierte industrialmente en biomasa utilizable. El resultado final produce un sistema por el cual se adhieren aspectos de la llamada economía circular. La espuma flexible de la presente divulgación comienza y termina como "suciedad a suciedad", lo que significa que el proceso biológico natural se ha adaptado para fabricar materiales y productos para uso humano con la menor cantidad de impacto ambiental. Estas espumas flexibles no comprometen las propiedades de rendimiento técnico durante su vida útil ni su diseño respetuoso con el medio ambiente.

Como se discutió anteriormente en el presente documento, los dispositivos, sistemas y sus métodos de uso en el presente documento pueden emplearse con el fin de producir uno o más productos finales moldeados, como componentes para uso en calzado, asientos, automóviles, equipos de protección y/o aparatos deportivos. En consecuencia, en varias realizaciones, en el presente documento se proporciona uno o más componentes útiles en la construcción de un zapato, por ejemplo una suela, entresuela y/o plantilla del mismo, por ejemplo donde la suela forma la base del zapato, y está configurada para al hacer contacto con el suelo, la entresuela forma un elemento intermedio estructural y de amortiguación, y la plantilla está configurada para insertarse dentro de un zapato y, por lo tanto, proporcionar amortiguación y/o soporte al zapato.

En ciertas realizaciones, el componente del zapato puede incluir un material de espuma producido en el presente documento que puede ser ecológico, biodegradable y compostable. En varios casos, cada componente individual puede estar compuesto por una pluralidad de capas que incluyen una capa base y una capa de amortiguación, por ejemplo donde la capa de amortiguación. Por ejemplo, en realizaciones particulares, puede incluirse un elemento de soporte, por ejemplo un elemento de soporte acoplado a la capa base, y cuando el componente es una plantilla, puede incluirse una o más partes de contacto con el arco o contacto con el talón.

Particularmente, en varias realizaciones, se puede producir un material espumado donde los materiales espumados se pueden usar en la producción de cojines, muebles acolchados, componentes de zapatos, tales como plantillas, esteras, fibras, tejidos y similares. Otros productos útiles pueden incluir calafateo, como calafateo de silicona, guantes médicos de silicona, tubos de silicona para sistemas de administración de fármacos, adhesivos de silicona, lubricantes de silicona, pinturas de silicona y otros productos de silicona adecuados, por ejemplo, preservativos. En varias realizaciones, los productos de espuma se pueden producir de una manera en la que el material de espuma puede tener una o más propiedades antimicrobianas, antibacterianas, antifúngicas, antivirales y/o antiinflamables.

Más particularmente, en un aspecto, esta divulgación puede estar dirigida en general a un proceso para la fabricación de muebles, por ejemplo muebles tapizados y/o sus cojines, por ejemplo muebles que incluyen o bien están compuestos de espuma, por ejemplo, que es biodegradable y/o compostable. Por lo tanto, las espumas de la divulgación son ventajosas para su uso en la fabricación de muebles que incluyen tales insertos de espuma producidas. Las resinas y espumas producidas y empleadas han demostrado ser ventajosas para su uso como materiales de acolchado, tales como almohadas, sofás, camas, cojines de asiento u otros muebles tapizados y similares.

Por ejemplo, de acuerdo con los métodos divulgados anteriormente en el presente documento, se puede producir un molde de un bloque de espuma pequeño a grande, por ejemplo para formar un inserto de espuma, por ejemplo para uso en muebles o componentes de accesorios para automóviles. La espuma en bloque se puede cortar luego en bloques más pequeños del tamaño y la forma deseados, de acuerdo con el tipo y la forma del mueble que se produzca. Específicamente, los bloques dimensionados y cortados se pueden aplicar o bien encajar dentro del mueble o armazón del automóvil u otro material delimitador, que juntos se pueden cubrir para producir el mueble final, ya sea una almohada, un sofá, un cojín, p. ej., un cojín de sofá o coche, o similar. Además, cuando se desee, se puede unir una superficie exterior o un material de delimitación al material del marco, por ejemplo mediante grapas y/o tachuelas, o bien sujetar al marco de un artículo que se va a tapizar y cubrir con una tela u otro material.

En consecuencia, en diversas realizaciones, cuando se fabrican muebles tapizados, por ejemplo como un sofá o un asiento de automóvil, se puede producir un marco. Varios componentes internos, por ejemplo, estructurales, del mueble pueden instalarse dentro del marco, por ejemplo resortes o similares, y luego las láminas de espuma, producidas de acuerdo con los métodos divulgados anteriormente en el presente documento, pueden colocarse en, sobre y alrededor de los resortes, por ejemplo para amortiguación y/o aislamiento. Por supuesto, se pueden incluir otros materiales, como capas de algodón, lana, fieltro, productos a base de caucho y similares, y luego se puede agregar un material de superficie para cubrir el marco y terminar la fabricación del producto.

Específicamente, las presentes espumas junto con otros materiales divulgados en el presente documento pueden funcionar como acolchado o relleno, que puede moldearse, ajustarse y meterse debajo de una superficie a medida que el material de la superficie se estira sobre el marco. Además, como se indicó, en varios casos, los productos de espuma producidos en el presente documento son útiles en y por encima de los conocidos en la técnica por una serie de razones, una de las cuales es el hecho de que las espumas típicas de PU y/o EVA no son de ninguna manera biodegradable, mientras que los componentes de las espumas producidas en el presente documento lo son. Por lo tanto, en varias realizaciones, se proporciona un método para construir muebles sobre un marco abierto. Por ejemplo, en un caso, el método puede incluir uno o más de las siguientes etapas.

Particularmente, el método puede incluir proporcionar un marco, definiendo el marco el respaldo, una pluralidad de paredes laterales y partes del asiento, de modo que la parte del marco del respaldo se extienda de manera sustancialmente vertical y la parte del asiento se extienda de manera sustancialmente horizontal, entre sí, de tal manera que la parte del asiento corte transversalmente la parte vertical. El método puede incluir además cortar una lámina plana de espuma del tamaño y la forma apropiados para proporcionar relleno para el respaldo y el asiento y/o las partes de la pared lateral, cortar el material de la superficie plana del tamaño y la forma apropiados para terminar el respaldo, el asiento y/o porciones de pared lateral, uniendo las láminas de espuma y el material de superficie en posiciones separadas y comprimiendo la espuma para formar un diseño contorneado predeterminado en la superficie exterior de las mismas, y para formar un subconjunto sustancialmente plano en el que la lámina de espuma y el material de cobertura están libres para el movimiento relativo intermedio entre las posiciones de unión, y dar forma y unir el subconjunto al bastidor. La funda para el cojín de espuma o el artículo acolchado puede ser cualquier material de cobertura adecuado que se utilice habitualmente para tapizar muebles y cubrir almohadas decorativas y similares, tal como telas de lana tejida, telas de nailon tejidas o telas tejidas con otras fibras sintéticas diversas, así como materiales como cuero y similares.

Además, en otro aspecto, esta divulgación se refiere generalmente a un proceso para la fabricación de componentes de calzado, como suelas, entresuelas y/o plantillas de calzado, tales como componentes de calzado que incluyen o están compuestos de otro modo por espuma, por ejemplo espuma compostable. Específicamente, en realizaciones particulares, se proporcionan métodos para fabricar suelas, entresuelas, plantillas y/u otros insertos para calzado. Por ejemplo, el presente inserto para calzado puede ser una forma de dispositivo de amortiguación que está adaptado para insertarse o bien ajustarse dentro de un zapato, por ejemplo, una zapatilla para correr o una zapatilla deportiva, que puede configurarse para reducir el impacto de un pie que golpea una superficie, por ejemplo, el suelo al correr o caminar, absorbiendo y/o atenuando así el impacto en el pie.

En particular, los componentes de la suela del zapato, incluidas las entresuelas y los insertos, pueden incluir una capa o una multiplicidad de capas. Por ejemplo, en algunos casos, se puede proporcionar una capa base, una capa de espuma y/o una capa de tejido. Específicamente, se puede incluir una capa base de un material relativamente elástico y/o una capa de espuma, por ejemplo, dispuesta sobre la capa base, y/o una capa de tela dispuesta sobre la capa de espuma. En consecuencia, el método puede incluir la formación integral de la capa base, la capa de espuma y el tejido en una lámina trilaminada. En varios casos, se puede disponer una capa de soporte al menos en el área del talón, capa de soporte que se puede construir de un material rígido, por ejemplo de mayor densidad que la del laminado. Puede proporcionarse y emplearse un adhesivo, pegamento u otro mecanismo de unión para unir y formar el trilaminado con la capa de soporte.

Más particularmente, en otros casos, el método para fabricar un componente de calzado, por ejemplo un inserto, puede incluir las etapas de: proporcionar una capa de espuma y/o proporcionar una capa de tejido; calentar la capa de espuma; unir las capas de espuma y tejido; proporcionar una capa base, por ejemplo, una capa base que tiene una densidad que es igual, mayor o menor que la capa de espuma; y calentar al menos una de la capa base y la capa de espuma para acoplar la capa base con la capa de espuma para formar un laminado doble o trilaminado.

Los métodos pueden incluir además proporcionar un elemento de soporte preformado, por ejemplo un soporte de arco y/o un elemento de talón, cuyos elementos pueden tener una densidad sustancialmente igual, menor o mayor que la densidad de la capa de espuma. En casos particulares, el elemento de soporte puede estar formado por un material de espuma comprimido para obtener una mayor densidad y, por lo tanto, una mayor rigidez en comparación con la capa de espuma. Además, se puede aplicar un adhesivo reactivable por calor y/o presión entre el soporte y/o el elemento del talón y el laminado. A continuación, se puede aplicar una presión de moldeo a la composición para provocar la formación y/o la conformación del trilaminado en el soporte y/o el elemento del talón para formar un inserto de zapato integral de una pieza, con el elemento del talón preformado formando una porción trasera y/o el elemento de soporte formando una porción media de la superficie inferior del inserto para calzado terminado, por ejemplo, en el área media y/o del talón del mismo, y la capa base formando la superficie inferior del inserto para calzado terminado en la zona delantera del mismo.

Debe notarse, sin embargo, que no es necesario incluir un elemento de apoyo y/o de talón y, en algunos casos, uno o más de los componentes del laminado pueden excluirse o agregarse otras capas del laminado. Cabe señalar además que, en ciertas realizaciones, la capa de espuma puede ser más flexible y/o amortiguadora, por ejemplo, con un mayor duometro, que la capa base, que a su vez puede ser más flexible y/o amortiguadora, por ejemplo, teniendo un mayor duometro, que el elemento de soporte. Por lo tanto, las capas base y de espuma más flexibles pueden ser relativamente elásticas y adaptarse en forma al tamaño y configuración de calzado deseados, mientras que la capa o capas de soporte pueden ser relativamente más rígidas.

En particular, como se indica, la capa de espuma y/o una o más de las capas de soporte pueden estar construidas con el material de espuma biodegradable y/o amigable con el medio ambiente divulgado en el presente documento. Específicamente, la capa de soporte puede ser de una espuma más densa, lo que hace que la capa de soporte sea más rígida. Por lo tanto, en varias realizaciones, la capa de espuma puede tener una densidad de aproximadamente 2 a aproximadamente 3 a aproximadamente 5 a aproximadamente 10 libras por pie cúbico o más, tal como una densidad en el intervalo de aproximadamente 4 y 6 libras por pie cúbico. Además, la capa de espuma puede tener un espesor de 1/8" o - 5%, tal como en un intervalo de espesor de aproximadamente 3/32"- 5/32".

Asimismo, la capa base también puede tener una densidad de aproximadamente 2 o aproximadamente 3 o aproximadamente 5 a aproximadamente 10 libras por pie cúbico o más, tal como una densidad en el intervalo de aproximadamente 4 - 6 libras por pie cúbico. El espesor de la capa base puede ser del orden de aproximadamente 5/16" o -10%. Sin embargo, en varios casos, el espesor de la capa base puede oscilar entre aproximadamente 1/4" o menos y aproximadamente H16" de espesor. Con respecto a la capa de soporte, que puede formarse principalmente en las áreas del arco y/o del talón del inserto, que también puede estar hecha de la espuma biodegradable y/o compostable divulgada en el presente documento.

Sin embargo, la capa de soporte puede fabricarse comprimiéndola de modo que la densidad final sea del orden de 22-23 libras por pie cúbico. La capa de tela puede estar hecha de cualquier material adecuado, por ejemplo, algodón, poliéster o tejido de polipropileno. En varios casos, las capas de material y espuma pueden laminarse juntas mediante una técnica de laminación por llama que emplea una llama abierta que se dirige a la capa de espuma. La llama abierta genera suficiente calor en la superficie para provocar la fusión de la capa de espuma de lámina plana. Una vez fundida, la capa de tela se puede unir a la misma y las dos capas intercaladas se pueden pasar entre rodillos enfriados, mientras se aplica suficiente presión entre los rodillos para que las dos capas se unan.

En este punto del proceso, estas capas aún se mantienen en forma de láminas planas. Estas capas integradas pueden luego unirse, también por laminación a la llama, a la capa base. Las capas de material y espuma previamente integradas se pueden unir a la capa de soporte y estas capas multilaminadas se pueden pasar luego entre rodillos enfriados. En esta etapa del proceso, estas capas todavía están en forma de láminas planas. Las capas así laminadas hasta este punto están entonces listas para moldear. Esto se puede realizar calentando las capas laminadas a una temperatura de moldeo de aproximadamente 250 F, por ejemplo durante un período de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 minutos o más, por ejemplo, aproximadamente 225 segundos. Esto calienta las capas previamente laminadas lo suficiente como para permitir que se inserten en un molde.

Lo siguiente es una descripción de varias implementaciones de la presente divulgación que hace referencia a las figuras adjuntas. En consecuencia, en un aspecto, se proporciona un componente de calzado. En particular, como se ilustra en la Fig. 1, una realización de la presente divulgación es un componente de calzado, a saber, una entresuela 100 de zapato de espuma flexible de microceldas que está hecha de una mezcla 102 de biopolímero termoplástico biodegradable e industrialmente compostable.

Específicamente, la entresuela de zapato de espuma flexible de microceldas moldeada por inyección biodegradable e industrialmente compostable está hecha de uno o más de un biopolímero y una mezcla de biopolímeros, como la inclusión de un biopolímero termoplástico. En particular, el biopolímero termoplástico o la mezcla de biopolímeros utilizados para fabricar las espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables se pueden crear opcionalmente a partir de cualquier número de copoliésteres alifáticos y alifático-aromáticos, o similares.

Un ejemplo no limitante de un biopolímero adecuado que encuentra uso en la producción del biopolímero o mezcla de biopolímero consiste en ácido poliláctico (PLA), poli(ácido L-láctico) (PLLA), poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT), policaprolactona (PCL), polihidroxialcanoato (PHA), succinato de polibutileno (PBS), policaprolactona (PCL), adipato de succinato de polibutileno (PBSA), adipato de polibutileno (PBA) y almidón termoplástico (TPS). Además, las mezclas de biopolímeros híbridos se pueden utilizar en la fabricación de espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables. Un ejemplo no limitativo de una mezcla de biopolímeros híbridos consiste en poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT) que contiene algas.

En el ejemplo proporcionado, la porción de algas del biopolímero híbrido consiste en cualquier especie adecuada de algas en forma de polvo seco. Varios ejemplos no limitativos de especies de algas adecuadas incluyen algas verdeazuladas, algas verdes, algas rojas, algas pardas y diatomeas, y combinaciones de las mismas. El polvo de algas seco antes mencionado se puede extrudir con dos tornillos en un equipo estándar con el biopolímero de PBAT de manera que el polvo de algas se desnaturalice en la cadena polimérica del PBAT. Esto forma así un biopolímero híbrido para su uso en la fabricación de las espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación.

Los productos de espuma producidos pueden incluir o bien incorporar varios de los siguientes ingredientes: un polvo de relleno y/o uno o más aditivos. Particularmente, dependiendo de la aplicación, también se pueden utilizar aditivos en las formulaciones de biopolímeros. Por ejemplo, el poli(ácido aspártico-co-lactida) (PAL) oligomérico puede combinarse opcionalmente en un lote maestro para acelerar la biodegradación. Además, se pueden utilizar rellenos tales como carbonato de calcio precipitado de aragonita, almidones o similares para reducir el coste de las piezas mientras se mantiene la integridad renovable y biodegradable de las espumas flexibles terminadas.

Además, los aditivos adicionales para usar en las formulaciones de biopolímeros pueden consistir en uno o más de los siguientes. Pueden incluirse agentes nucleantes, tales como talco microlamelar o aragonita oolítica de alta relación de aspecto. Dichos agentes de nucleación pueden mejorar en gran medida las propiedades clave de la espuma flexible resultante evitando la coalescencia celular, reduciendo la densidad aparente y mejorando la resiliencia de rebote, entre otros atributos beneficiosos mejorados. Varios ejemplos no limitativos de agentes de nucleación para uso en la producción de espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección biodegradables e industrialmente compostables son talco microlamelar comercializado como Mistrocell® por Imerys Talc America Inc., Houston, Texas y aragonita oolítica de alta relación de aspecto comercializada como OceanCal® por Calcean Minerals & Materials LLC, Gadsden, Alabama.

También se pueden incluir colorantes, tintes y pigmentos. Por ejemplo, en las formulaciones de biopolímeros de la presente invención se pueden usar opcionalmente varios colorantes tales como tintes, pigmentos o biopigmentos. Varios ejemplos no limitativos son pigmentos naturales de origen vegetal que se han hecho a medida para el uso de biopolímeros, tales como una amplia gama ofrecida por Treffert GmBH & Co. KG, Bingen am Rhein, Alemania o los ofrecidos por Holland Colors Americas Inc., Richmond, Indiana.

Existe una serie de configuraciones y realizaciones que pueden emplearse dependiendo de: las propiedades físicas deseadas y el uso final previsto de la entresuela 100 del zapato, ya sea para trabajo, recreación, uso en agua o similares, que no deberían estar limitados por estos ejemplos.

Un dispositivo adecuado del sistema se puede ejemplificar en la Fig. 2 y puede emplearse en la producción de un material de espuma como se divulgó anteriormente en el presente documento. Por ejemplo, en uso, un lote maestro 202 de biopolímero se alimenta a la tolva 204 de cualquier máquina 206 adecuada de moldeo por inyección. El lote maestro de biopolímero se licua por calentamiento mientras se transporta a través del tornillo 208 de la máquina de moldeo por inyección. El gas 210 de nitrógeno o CO2 se inyecta en el biopolímero fundido y se mezcla 212. Además, la mezcla de gas y biopolímero está bajo presión y se inyecta en la herramienta 214 de moldeo por inyección. Junto con la inyección de biopolímero-gas, el sistema 216 de contrapresión de gas envía una dosis medida de gas 218 nitrógeno o CO2 a la herramienta de moldeo presurizada a través del valor 220 de control de gas.

Poco después, el sistema 222 de control dinámico de la temperatura del molde (DMTC) controla y ajusta la temperatura dentro de la herramienta 214 de moldeo. A continuación, la herramienta 214 de moldeo se enfría lo suficiente y la pieza de espuma flexible de microceldas moldeada por inyección biodegradable e industrialmente compostable resultante se expulsa de la máquina de moldeo por inyección.

La Fig. 3 proporciona un diagrama de flujo para ilustrar el método 300 de producir una espuma flexible de microceldas moldeada por inyección biodegradable e industrialmente compostable. En 302 se selecciona una mezcla de biopolímero y en 304 la mezcla se introduce en la máquina de moldeo por inyección a través de la tolva de material. En 306, la mezcla de biopolímeros se licua y homogeneiza mientras se transporta a través del tornillo de la máquina de moldeo por inyección. En 308, el gas nitrógeno o CO2 se inyecta en la masa fundida de biopolímero. En 310, la mezcla de gas y biopolímero está bajo presión y se inyecta en la herramienta de moldeo por inyección. En 312, la temperatura de la herramienta de moldeo por inyección se controla dinámicamente para garantizar la estructura de celda óptima. En 314, se aplica la dosis óptima de contrapresión de gas a la herramienta de moldeo por inyección durante una cantidad de tiempo suficiente para garantizar la estructura de espuma ideal con un espesor de superficie mínimo. En 316, la herramienta de moldeo por inyección se enfría lo suficiente y la pieza de espuma moldeada resultante se expulsa de la máquina de moldeo por inyección.

En algunas implementaciones, y sin impartir limitaciones a la divulgación del presente documento, un proceso de fabricación de espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable incluye las etapas descritas a continuación. Los procedimientos de configuración del proceso giran en torno al establecimiento de una dosificación controlada de SCF en el barril de inyección: en condiciones de velocidad, temperatura y presión del tornillo que dan como resultado una solución monofásica.

Para garantizar que se cumplan las condiciones básicas de la dosificación de SCF, existen principalmente siete puntos de ajuste del proceso para ajustar: presión de suministro de SCF: ajuste de la presión del bioplástico contra la que se dosifica el s Cf durante la rotación del tornillo. Esto se refiere tanto a la contrapresión específica del biopolímero durante la recuperación del tornillo como al control de la posición del tornillo durante el ralentí del tornillo. Como ejemplo no limitativo, los puntos de ajuste de presión para el suministro de biopolímero podrían estar en el intervalo de 2,000 psi y 3,000 psi, y más preferiblemente en el intervalo de 2,700 psi y 2,800 psi. Este punto de ajuste establece la posición del tornillo en la que comienza la dosificación de SCF, que luego puede configurar el inyector de SCF en la posición abierta o cerrada. La posición debe establecerse de modo que la presión en el barril durante la recuperación del tornillo se haya estabilizado antes del inicio de la dosificación. Como ejemplo no limitativo, la posición abierta podría estar en el intervalo de 0.3 y 0.4 pulgadas.

También se puede controlar el porcentaje del tamaño de la inyección y SCF. Esto controla la masa real de SCF dosificada durante cada ciclo. Como ejemplo no limitante, el tamaño de la inyección podría estar en el intervalo de 100 gramos a 300 gramos, y más preferiblemente 200 gramos. Un ejemplo no limitante del porcentaje de SCF podría estar en el intervalo de 0.45 % y 0.75 %, y más preferiblemente 0.5 %. El sistema también puede configurarse para optimizar la dosificación. Esto se logra maximizando el tiempo de dosificación y minimizando el caudal (diferencia de presión entre la presión previa a la dosificación y la presión de suministro). Un ejemplo no limitante del tiempo de dosificación es entre 1 y 2 segundos, y más preferiblemente 1.7 segundos.

También se puede implementar un control dinámico de la temperatura del molde (DMTC). Este es un proceso que implica el cambio y control rápidos de la temperatura del molde durante la etapa de llenado por inyección para así controlar dinámicamente la temperatura del molde en términos de ciclos térmicos fríos y calientes. Antes de la inyección en estado fundido, el molde se calienta primero hasta un límite superior preestablecido. Durante la etapa de llenado de la masa fundida, la temperatura de la superficie de la cavidad del molde se mantiene por encima del límite superior para evitar que la masa fundida se solidifique prematuramente.

Cuando finaliza el proceso de llenado de la masa fundida, el molde se enfría rápidamente hasta un límite inferior conocido como temperatura de eyección, que es la temperatura a la que la pieza es expulsada de la cavidad del molde. Un ejemplo no limitativo del intervalo óptimo de temperatura del molde de la presente divulgación es entre 40 °C y 150 °C con una velocidad de enfriamiento de aproximadamente 1 °C por segundo y 15 °C por segundo, y más preferiblemente 11 °C por segundo. Un ejemplo no limitativo del tiempo de enfriamiento del molde de la presente invención está entre 80 segundos y 100 segundos.

Asimismo, también se puede controlar la contrapresión de gas (GCP). Este es un proceso que incluye una cavidad de molde presurizado que se inyecta con gas nitrógeno para contrarrestar la expansión del gas dentro de la masa fundida. A medida que se libera la contrapresión, las burbujas de gas que convencionalmente atravesarían la superficie quedan atrapadas en el interior, creando una superficie suave. La GCP controla la formación de espuma a través de la calidad de la superficie, la estructura de la espuma y el grosor de la superficie. Un ejemplo no limitativo de contrapresión de gas de la presente invención es 0 bar/10 bar/30 bar/50 bar con un tiempo de retención de aproximadamente 1 segundo y 25 segundos, y más preferiblemente 5 segundos. Un ejemplo no limitativo del diámetro celular de microceldas promedio de la presente invención se puede medir en micrómetros (|jm) entre 1 micrómetro y 100 micrómetros, y más preferiblemente 40 micrómetros.

En vista de lo anterior, en algunas implementaciones, se produce una combinación de biopolímeros termoplásticos adecuada. Una vez que se produce la mezcla termoplástica, la mezcla de biopolímero termoplástico se puede moldear por inyección en una forma de molde adecuada, por ejemplo, con la adición de un gas inerte, tal como gas nitrógeno. Además, la presión también se puede controlar finamente.

Por ejemplo, se puede implementar la utilización de contrapresión de gas en el proceso de moldeo por inyección. Esto también es útil para garantizar aún más la estructura óptima de la espuma con la menor cantidad de defectos estéticos y poca o ninguna superficie plástica en el exterior de la parte espumada, lo cual es importante para fabricar un producto espumado que puede tener múltiples usos finales basado en la forma del molde. El proceso de moldeo puede incluir la implementación de un control dinámico de la temperatura del molde. Por ejemplo, en varias realizaciones, el control dinámico de la temperatura del proceso de moldeo es útil para lograr una estructura de celda óptima. Otros elementos del proceso de moldeo que se pueden controlar incluyen controlar: la fusión del biopolímero, la presión y el tiempo, de manera que se forme una espuma flexible deseable.

En consecuencia, en vista de lo anterior, la presente divulgación se refiere a un proceso para la formación de espuma de microceldas moldeada por inyección de diversas composiciones de espuma flexible a partir de resinas termoplásticas de origen biológico biodegradables e industrialmente compostables para su uso, por ejemplo, en componentes de calzado, componentes de asientos, componentes de equipos de protección y accesorios para deportes acuáticos.

La creación de una estructura de espuma flexible de microceldas biodegradable e industrialmente compostable comienza con un biopolímero adecuado o una mezcla de biopolímeros como los de origen alifático y alifático-aromático de copoliéster. Un ejemplo no limitativo de una combinación de biopolímeros adecuada es el ácido poliláctico (PLA) y el poli(adipato-co-tereftalato de butileno) (PBAT). Las resinas biopoliméricas termoplásticas combinadas mencionadas anteriormente han mostrado propiedades técnicas ventajosas en la formación de la estructura óptima de espuma flexible de microceldas de la invención. Algunas de las propiedades técnicas mejoradas incluyen propiedades de envejecimiento aceptables, excelente elongación y deformación excepcional por compresión, entre otros beneficios.

Los biopolímeros de copoliéster alifáticos y alifático-aromáticos óptimos o las mezclas de biopolímeros por sí solos no pueden producir una espuma flexible sin un agente espumante y un proceso de espumación adecuados. El agente espumante más conocido en uso hoy en día es un químico llamado azodicarbonamida (ADA). La azodicarbonamida suele estar preimpregnada en resinas maestras termoplásticas petroquímicas para su uso en procesos de espuma de moldeo por inyección convencionales. Desafortunadamente, ADA no es amigable con el medio ambiente y se sospecha que es cancerígeno para la salud humana. Además, las resinas de lote maestro termoplásticas petroquímicas convencionales no son biodegradables ni industrialmente compostables. Para lograr la espuma flexible biodegradable e industrialmente compostable más óptima para la invención mencionada anteriormente, se utiliza gas nitrógeno inerte o dióxido de carbono en un estado de fluido supercrítico como agente espumante físico en un proceso de moldeo por inyección modificado. Se emplea un proceso de espumado físico modificado junto con un biopolímero termoplástico adecuado o un lote maestro de biopolímero combinado de manera que el biopolímero o la mezcla de biopolímeros y el agente espumante funcionen en armonía para producir las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables más óptimas.

El proceso de moldeado por inyección de esta divulgación se basa en la nucleación de celdas homogénea que se produce cuando una solución monofásica de biopolímero o mezcla de biopolímeros y fluido supercrítico (SCF) pasa a través de la puerta de inyección hacia la cavidad del molde. A medida que la solución ingresa al molde, la presión cae, lo que hace que el SCF salga de la solución creando núcleos de celdas. Luego, las celdas crecen hasta que el material llena el molde y se agotan las capacidades de expansión del SCF. Este proceso de fabricación se realiza en máquinas de moldeo por inyección que se han modificado para permitir la dosificación, el suministro y la mezcla del SCF en el biopolímero para crear la solución monofásica. Se emplea el control dinámico de la temperatura del molde (DMTC) para garantizar una estructura de celda consistente dentro del fundido de biopolímero en expansión. DMTC se puede describir mejor como el cambio y control rápidos de la temperatura del molde durante la etapa de llenado por inyección; esto controla dinámicamente la temperatura del molde en términos de ciclos térmicos fríos y calientes. La contrapresión de gas (GCP) también se utiliza en el proceso de fabricación para garantizar una estructura de espuma óptima con poca o ninguna superficie en la espuma flexible resultante. GCP se puede describir mejor como un proceso que incluye una cavidad de molde presurizada que se inyecta con SCF para contrarrestar la expansión del gas dentro de la masa fundida. A medida que se libera la contrapresión, las burbujas de gas que convencionalmente atravesarían la superficie quedan atrapadas en el interior, creando una superficie suave. La g Cp controla la formación de espuma a través de la calidad de la superficie, la estructura de la espuma y el grosor de la superficie.

La creación de la solución monofásica, en la que el SCF se disuelve por completo y se dispersa uniformemente en el biopolímero fundido, tiene lugar dentro del barril de inyección en condiciones de proceso cuidadosamente controladas: el SCF debe medirse con precisión en el flujo de masa en el biopolímero durante un período de tiempo fijo. Y durante el período de dosificación, se pueden establecer las condiciones adecuadas de temperatura, presión y cizallamiento dentro del barril. El control de la contrapresión, la velocidad del tornillo y la temperatura del barril, así como el sistema de suministro de SCF, juegan un papel en el establecimiento de las condiciones del proceso que crean la solución monofásica.

Una vez creada la solución monofásica, una máquina de moldeo por inyección modificada mantiene la solución en estado presurizado hasta el inicio de la inyección. La máquina logra esto a través de los esfuerzos combinados de una boquilla de cierre y un control de posición del tomillo. La boquilla de cierre evita la despresurización y la formación prematura de espuma en el molde. El control de posición del tornillo activo o pasivo evita la despresurización a través del movimiento hacia atrás del tornillo. Durante el control activo de la posición del tornillo, la posición del tornillo se monitorea continuamente y la presión aplicada a la parte posterior del tornillo se ajusta para mantener un punto de ajuste de posición o se mantiene una presión constante en la parte posterior del tornillo. En el control de posición pasivo, se evita que el aceite utilizado para regular la contrapresión se drene a su tanque al final de la recuperación del tornillo. Este aceite residual evita que el tornillo retroceda debido a la presión de la solución monofásica.

El diseño adecuado del molde también ayuda a mantener la solución monofásica. Los moldes con un sistema de colada caliente requieren compuertas de válvula para evitar que el material gotee de las boquillas al abrir el molde. Los moldes en los que la boquilla de la máquina rompe el contacto con el casquillo del bebedero durante el funcionamiento normal, tal como los moldes apilados o en tándem, requieren un cierre en el casquillo del bebedero. De lo contrario, la presión del canal caliente se liberará a través del casquillo del bebedero.

El agente espumante utilizado para moldear por inyección las espumas de microceldas biodegradables e industrialmente compostables es gas nitrógeno inerte o dióxido de carbono en estado de fluido supercrítico (SCF). Cada uno de los agentes espumantes antes mencionados tiene su lugar, dependiendo de los requisitos técnicos de la pieza final que se está produciendo.

Un agente espumante útil para esta invención es el gas nitrógeno de SCF ya que proporciona una reducción de peso mejorada y una estructura de celda fina a porcentajes en peso mucho más bajos que el dióxido de carbono de SCF. De hecho, los niveles de nitrógeno de SCF normalmente serán al menos un 75 por ciento más bajos que el nivel de dióxido de carbono de SCF requerido para lograr piezas comparables. Sin embargo, el dióxido de carbono de SCF es el agente espumante preferido en dos situaciones: cuando la reducción de la viscosidad es el objetivo principal del procesamiento o cuando la aplicación no puede tolerar la acción espumante más agresiva del nitrógeno de SCF.

Las diferencias en la eficacia de dos agentes espumantes se derivan de su comportamiento en la masa fundida de biopolímero. El dióxido de carbono, que se convierte en fluido de SCF a 31.1 Celsius y 72.2 bar, es de 4 a 5 veces más soluble en biopolímeros que el nitrógeno, que se convierte en fluido supercrítico a -147 Celsius y 34 bar. Por ejemplo, el punto de saturación en un biopolímero sin relleno es de aproximadamente 1.5 a 2 por ciento en peso de nitrógeno, de acuerdo con las condiciones de temperatura y presión, mientras que el nivel de saturación de dióxido de carbono está más cerca del 8 por ciento en peso. El dióxido de carbono también exhibe una mayor movilidad en el biopolímero, lo que le permite migrar más hacia las burbujas existentes que el nitrógeno. Desde la perspectiva de la nucleación de celdas, una mayor solubilidad y movilidad significa que se nuclearán menos celdas, y las que se nuclean tenderán a ser más grandes.

Sin embargo, la solubilidad se convierte en una ventaja cuando el objetivo es la reducción de la viscosidad. Un SCF disuelto en un biopolímero actúa como agente plastificante, reduciendo la viscosidad del biopolímero. Debido a que la reducción de la viscosidad es en parte una función de la cantidad de SCF añadida al biopolímero y debido a que el dióxido de carbono tiene un límite de solubilidad más alto que el nitrógeno, la capacidad de reducir la viscosidad con dióxido de carbono es mayor.

También se prefiere el dióxido de carbono cuando la cantidad de nitrógeno necesaria para producir una pieza es tan baja que no es posible procesar las piezas de forma consistente. Dado que el dióxido de carbono es un agente espumante mucho menos agresivo, hay momentos en los que es más fácil proceder con niveles bajos de dióxido de carbono. Por ejemplo, 0.15 o 0.2 por ciento de dióxido de carbono en comparación con niveles muy bajos de nitrógeno de menos de 0.05 por ciento. Los casos, como se indica en el ejemplo anterior, ocurren principalmente con materiales blandos y piezas con secciones transversales gruesas.

Espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección reciclables y un método para fabricar las mismas

Las Figs. 4 y 6 ilustran una espuma 402 flexible de microceldas moldeada por inyección reciclable y un método para fabricarla de acuerdo con la presente divulgación. Con referencia a la Figura 4, la espuma 402 es preferiblemente una espuma de celda cerrada pero también puede formarse potencialmente como una espuma de celda abierta. En varias implementaciones, la espuma 402 puede fabricarse para que tenga propiedades y características que son al menos aproximadamente similares a las de la espuma de acetato de vinilo y etileno (EVA) convencional no reciclable o similares.

Como se analiza con mayor detalle a continuación, la espuma 402 reciclable se fabrica mediante el procesamiento de un polímero termoplástico utilizando una máquina de moldeo por inyección ilustrada en la Fig. 5. El polímero termoplástico usado para fabricar la espuma 402 flexible reciclable se puede crear opcionalmente a partir de cualquier cantidad de polímeros termoplásticos basados en poliamida, copolímeros de poliamida o similares. Un ejemplo no limitativo de polímeros adecuados que encuentran uso en esta invención consiste en poliamida 6, poliamida 6/6-6, poliamida 12. Alternativamente, el polímero termoplástico puede comprender cualquier cantidad de copolímeros de bloque de poliamida tales como amida de bloque de poliéter (PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA o similares. Otros ejemplos no limitantes de polímeros y copolímeros adecuados incluyen el copolímero de poliamida 66 comercializado bajo el nombre comercial de Vydyne por Ascend Performance Materials, LLC, Houston, TX. La resina polimérica termoplástica antes mencionada ha mostrado propiedades técnicas ventajosas al formar la estructura de espuma óptima flexible de microceldas de la invención. Algunas de las propiedades técnicas mejoradas incluyen propiedades de envejecimiento excepcionales, excelente elongación, resistencia a la tracción y deformación permanente por compresión, entre otros beneficios.

Además, las mezclas de dos o más polímeros termoplásticos brindan una combinación de propiedades y precio que no se encuentran en un solo polímero termoplástico. Hay varias formas de mezclar polímeros termoplásticos con éxito. Como se analiza con mayor detalle a continuación, la extrusión de doble tornillo para fundir dos o más polímeros termoplásticos juntos y luego extrudir la mezcla de resina de polímero fundido en una hebra que se enfría y alimenta a un granulador para producir una serie de piezas granuladas denominada lote maestro. Otro método de mezcla de resinas de polímeros es usar agentes compatibilizantes para unir productos químicos diferentes en una mezcla de polímeros. Comúnmente, esto también usa extrusión de doble tornillo o similar para fundir el compatibilizador y dos o más polímeros juntos en los tipos de polímeros termoplásticos no limitantes que se describieron anteriormente.

En una realización, el polímero termoplástico comprende al menos un monómero o polímero derivado de una materia prima reciclada posconsumo o posindustrial. Por ejemplo, el polímero termoplástico puede comprender caprolactama, polímero de amida de bloque de poliéter reciclado o similares. A modo de ilustración, la caprolactama puede derivarse de materias primas recicladas mediante la despolimerización de material posindustrial o posconsumo que contiene poliamida, tal como redes de pesca, fibras de alfombras o residuos industriales. Un ejemplo no limitativo de caprolactama reciclada posconsumo o posindustrial despolimerizada incluye caprolactama ECONYL®, ya sea en escamas, líquida o fundida, proporcionada por Aquafil USA Inc., Cartersville, Georgia. El polímero termoplástico puede adicional o alternativamente comprender un polímero de poliamida derivado de fibra de alfombra de poliamida posindustrial o posconsumo que se recoge, clasifica, funde y reprocesa. Uno de tales polímeros de poliamida derivados de fibras de alfombras postindustriales es Econyl fabricado por Aquafil USA Inc., Cartersville, Georgia. Además, los desechos de poliamida se pueden recolectar en o alrededor de los océanos del mundo en forma de redes de pesca, o de esa manera se pueden clasificar, fundir y reprocesar en material de poliamida utilizable reciclado. Un ejemplo de polímero de poliamida derivado de redes de pesca postindustriales recolectadas es Akulon Repurposed, fabricado por Koninklijke DSM N.V., Heerlen, Países Bajos.

Dependiendo de la aplicación, también se pueden utilizar aditivos en las formulaciones de polímeros. Por ejemplo, se pueden utilizar rellenos tales como carbonato de calcio precipitado, aragonita oolítica, almidones, biomasa o similares para reducir el coste de las piezas mientras se mantiene la integridad reciclable de las espumas flexibles acabadas.

Además, los aditivos para usar en las formulaciones de polímeros pueden consistir en uno o más de los siguientes. Pueden incluirse agentes nucleantes, tales como talco microlamelar o aragonita oolítica de alta relación de aspecto. Dichos agentes de nucleación pueden mejorar en gran medida las propiedades clave de la espuma flexible resultante evitando la coalescencia de las celdas, reduciendo la densidad aparente y mejorando la resiliencia de rebote, entre otros atributos beneficiosos mejorados. Varios ejemplos no limitantes de agentes de nucleación para uso en la producción de espumas flexibles de microceldas moldeadas por inyección reciclables son talco microlamelar comercializado como Mistrocell® por Imerys Talc America Inc., Houston, Texas y aragonita oolítica de alta relación de aspecto comercializada como OceanCal® por Calcean Minerals & Materials LLC, Gadsden, Alabama.

También se pueden incluir colorantes, tintes y pigmentos. Por ejemplo, en las formulaciones poliméricas de la presente invención se pueden usar opcionalmente diversos colorantes tales como tintes, pigmentos o colorantes. Varios ejemplos no limitativos son pigmentos que se han hecho a medida para tipos específicos de uso de polímeros termoplásticos, tales como una amplia gama ofrecida por Treffert GmBH & Co. KG, Bingen am Rhein, Alemania o los ofrecidos por Holland Colors Americas Inc., Richmond, Indiana.

El uso de materias primas recicladas para crear una espuma flexible de microceldas reduce el impacto ambiental que normalmente se asocia con la creación de espumas de polímero termoplástico expandido mediante la obtención de materiales sostenibles. Como se analiza con mayor detalle a continuación, el método para crear una espuma flexible de microceldas de la presente divulgación aumenta los beneficios ambientales del uso de materias primas recicladas porque los productos resultantes pueden reciclarse aún más en polímeros termoplásticos que pueden utilizarse posteriormente para crear un nuevo producto a partir de espuma flexible de microceldas o alternativamente otros productos que utilicen polímeros termoplásticos.

El método de elaboración de una espuma flexible

Las Figs. 5 y 6 ilustran una máquina 506 de moldeo por inyección y un método 600 para fabricar la espuma 402 flexible reciclada que se muestra en la Fig. 4. Por lo tanto, en un aspecto, la presente divulgación se refiere a un método para espumar un polímero termoplástico. Como se describe con mayor detalle a continuación, el método se puede utilizar para crear cualquiera de una serie de productos finales a partir de la espuma 402, tal como equipo atlético técnico que incluye componentes de zapatos y otros productos donde las características tales como amortiguación, protección contra impactos, comodidad y otras son deseadas.

Como se muestra en la Fig. 5, el aparato 506 de moldeo por inyección incluye una tolva 504 configurada para recibir e introducir una pluralidad de polímeros 502 termoplásticos en el aparato 506 de moldeo. Un barril 507 está conectado a la tolva 504 y configurado para recibir el polímero 502 termoplástico e incluye un émbolo 508 de tipo tomillo alternante especializado. El barril 507 también incluye una unidad de control de temperatura (no mostrada) para calentar y enfriar el contenido del barril 507. Como se muestra en la Fig. 5, un controlador 503 de ordenador que tiene un dispositivo 505 de medición de temperatura y presión está configurado para detectar la temperatura y la presión dentro del barril 507. Un sistema 509 de dosificación de gas está conectado de forma fluida al barril 507 e incluye una unidad 512 de medición configurada para recibir e introducir un fluido 510 en el barril 507. El sistema 509 de dosificación de gas mantiene el fluido 510 por encima de la temperatura y presión críticas (Tc y Pc, respectivamente) para crear un fluido supercrítico (SCF) 510. En el método de la divulgación actual, el SCF 510 se usa como un agente espumante físico que reemplaza a los agentes espumantes químicos utilizados en los métodos convencionales de producción de espuma flexible, tales como la azodicarbonamida (ADA). A modo de ejemplo, el SCF 510 puede comprender un gas inerte o noble tal como nitrógeno, dióxido de carbono, helio, neón, argón o xenón. El método de la presente divulgación no solo mejora el impacto ambiental en comparación con los métodos convencionales de moldeo de espuma flexible mediante la eliminación del ADA del proceso, que es dañino para el medio ambiente y se sospecha que es carcinógeno, y lo reemplaza con un SCF inerte o noble, sino que, como se discutirá con mayor detalle a continuación, la espuma 402 flexible de la presente divulgación puede reciclarse al final de su vida útil como resultado del método descrito en el presente documento.

Haciendo referencia a la Fig. 6, el método para fabricar una espuma 102 flexible reciclable puede comenzar con la etapa 602: seleccionar el polímero 502 termoplástico y suministrar el polímero 502 termoplástico a la tolva 504 de la máquina 506 de moldeo por inyección. Posteriormente, en la etapa 604, el polímero 502 termoplástico se alimenta desde la tolva 504 al barril 507 y se calienta. En la etapa 606, el barril 507 calentado funde el polímero 502 termoplástico mientras el émbolo 508 de tipo tornillo mueve el polímero 502 termoplástico a través de la máquina 506 de moldeo por inyección. Además, el controlador 503 puede configurarse para controlar y modular la velocidad del tornillo.

En la etapa 608, el SCF 510 se introduce en el barril 507 a través de un inyector 511 a través de la unidad 512 de medición conectada al aparato 506 de moldeo por inyección, y el SCF 510 se solubiliza en el polímero 502 termoplástico fundido para crear la solución monofásica. El SCF 510 puede ajustarse en concentración dentro de la masa fundida, lo que influye en el grado de formación de espuma alcanzado. Haciendo referencia a la Fig. 5, el sistema 512 de medición está configurado para dosificar el SCF en la cantidad apropiada en el polímero 502 termoplástico fundido. Un ejemplo no limitativo de la concentración de gas de SCF inicial puede ser Co = 0.25 % con un intervalo de temperatura de fusión entre 176 °C y 250 °C, y más preferiblemente en el intervalo de 180 °C. Además, el controlador 503 controla la presión, el SCF 510 se introduce en el barril 507 a través del inyector de SCF. El SCF 510 satura el polímero 502 termoplástico fundido generando la solución monofásica. Además, el émbolo 508 de tipo tornillo gira dentro del barril 507 a una velocidad necesaria para homogeneizar el polímero 502 termoplástico y el SCF 510 y crear una solución monofásica. El tornillo 508 puede girar dentro del barril 507 entre 1 y 200 rpm, y preferiblemente, entre aproximadamente 20 rpm y aproximadamente 60 rpm.

Con respecto a la saturación, la máquina 506 de moldeo por inyección está configurada para suministrar un gas al barril 507 bajo una temperatura y presión para saturar el polímero 502 termoplástico fundido durante la rotación del tornillo. Específicamente, el controlador 503 está configurado para controlar una combinación de presión de suministro de SCF y el peso de la dosis de SCF. La presión y la dosis de SCF pueden controlarse de manera que afecten a la solución monofásica. Es decir, cuanto menor sea la dosis de SCF, menor será la saturación de SCF dentro de la masa fundida de biopolímero, mientras que cuanto mayor sea el SCF, mayor será la saturación de SCF dentro de la masa fundida. Del mismo modo, cuanto menor sea la presión de suministro de SCF, menor será la absorción de la saturación y, por lo tanto, menor será el crecimiento de núcleos que pueden crecer para formar burbujas dentro de la masa fundida de biopolímero fundido. Además, cuanto mayor sea la presión de suministro de SCF, mayor será la absorción de la saturación y, por lo tanto, mayor será el crecimiento de los núcleos que pueden crecer para formar burbujas dentro de la masa fundida.

El controlador 503 controla de forma variable la temperatura y la presión de una manera que depende del tipo de espuma flexible que se produzca y del tipo de producto final que se produzca. Específicamente, la temperatura en todo el sistema, tal como dentro del barril 507, puede controlarse para que esté entre 100 °C y 600 °C, tal como entre 200 °C y 500 °C, por ejemplo, entre 300 °C y 400 °C, y más particularmente, entre los intervalos de 320 °C y 380 °C, incluyendo entre 360 °C y 380 °C dentro del barril. Asimismo, la presión de suministro del SCF se puede controlar finamente para que esté en un intervalo de entre 1,000 y 8,000 PSI, tal como entre 1,500 y 6,000 PSI, por ejemplo, entre 2,000 y 5,500 PSI, en particular, entre 3,000 y 4,000 PSI, y más particularmente entre los intervalos de 2,600 y 2,800 PSI.

En la realización ilustrada en la Fig. 5, el controlador 503 determina y controla la concentración de SCF 510 usando un sensor que determina la cantidad de saturación y evalúa la progresión del proceso de saturación y modula la presión y la temperatura. El SCF 510 satura de forma controlada el polímero 502 termoplástico fundido durante la rotación del tornillo 508 alternante para crear la solución monofásica bajo temperatura y presión definidas. SCF es una parte de una mezcla de compuesto de polímero termoplástico fundido de dos partes y se usa como agente de expansión físico en presencia de presión y temperatura definidas en el presente molde de inyección.

Como se analiza con mayor detalle a continuación, el agente espumante de SCF 510 se puede seleccionar de la lista de fluidos nobles e inertes enumerados anteriormente en función de los requisitos técnicos del producto final de espuma 402 flexible. Por ejemplo, el dióxido de carbono en su estado supercrítico es más denso que el nitrógeno a la misma presión pero tiene una mayor capacidad calorífica. El dióxido de carbono en estado supercrítico produce espumas densas que pueden ser útiles en ciertas aplicaciones de amortiguación. Por el contrario, se puede usar nitrógeno supercrítico para producir la pieza espumada de baja densidad con núcleos más pequeños que se pueden usar al crear una espuma 402 para calzado y artículos deportivos.

Sin embargo, la solubilidad se convierte en una ventaja cuando el objetivo es la reducción de la viscosidad. Un SCF disuelto en un polímero 502 termoplástico reciclable actúa como agente plastificante, reduciendo la viscosidad del polímero 502 termoplástico. Debido a que la reducción de la viscosidad es en parte función de la cantidad de SCF añadida al polímero 502 termoplástico reciclable y debido a que el dióxido de carbono tiene un límite de solubilidad más alto que el nitrógeno, la capacidad de reducir la viscosidad con dióxido de carbono es mayor. El dióxido de carbono también es útil cuando la cantidad de nitrógeno necesaria para producir una pieza es tan baja que no es posible procesar el producto final de manera constante.

Dado que el dióxido de carbono es un agente espumante menos agresivo, hay momentos en los que es más fácil pasar niveles bajos de dióxido de carbono. Por ejemplo, 0.15 o 0.2 por ciento de dióxido de carbono en comparación con niveles muy bajos de nitrógeno de menos de 0.05 por ciento. Los casos, como se indica en el ejemplo anterior, ocurren principalmente con materiales blandos y piezas con secciones transversales gruesas. En consecuencia, ya sea nitrógeno, dióxido de carbono o uno de los otros gases nobles e inertes enumerados anteriormente, el agente espumante físico juega un papel útil en las partes espumadas finales y los productos eventuales que las contendrán.

Es útil seleccionar la combinación apropiada de polímero termoplástico compatible o compuesto de polímero termoplástico y el gas SCF asociado. En segundo lugar, la utilización adecuada del gas de SCF por medio de la dosificación óptima de peso y presión proporciona el nivel preferido de saturación dentro de la solución monofásica e impacta la generación de núcleos (producción de numerosas burbujas uniformes dentro de la matriz espumante como se describirá más adelante). Además, el resultado final, una pieza de espuma flexible moldeada por inyección de forma homogénea, se basa en todos los aspectos del proceso de dosificación de gas de SCF y en el uso de contrapresión de gas que trabaja en simbiosis con la temperatura, la presión y el tiempo de retención de la máquina de moldeo por inyección para lograr piezas moldeadas de espuma comercialmente aceptables.

Haciendo referencia a la Fig. 5, el tornillo 508 alternante está configurado además para comprimir y mover el polímero 502 termoplástico fundido dentro de la cavidad del barril 507. Un sistema 516 de contrapresión de gas (GCP) está configurado para suministrar una contrapresión de gas al barril 507 para controlar la expansión del polímero 502 termoplástico fundido. En la realización ilustrada en la Fig. 5, el sistema 516 GCP incluye una bomba 515 de gas, un depósito 518 de gas que incluye un gas inerte tal como nitrógeno o dióxido de carbono, un compresor 517, un sensor 519 de presión y una válvula 520 de control de gas. El émbolo 508 de tipo tornillo alternante y el barril 507 también están configurados para proporcionar contrapresión y suministrar el polímero 502 termoplástico en un molde 514 que tiene una cavidad dispuesta en comunicación fluida con el barril 507, y configurada para recibir el polímero 502 termoplástico fundido (se describe con mayor detalle a continuación). En la realización que se muestra en la Fig. 5, el émbolo 508 de tipo tornillo y el barril 507 están configurados para aplicar entre aproximadamente 2,000 psi y aproximadamente 3,000 psi, y más preferiblemente en el intervalo de 2,700 psi y 2,800 psi. La configuración del émbolo 508 de tipo tornillo y el barril 507 también ajusta la posición en la que comienza la dosificación de SCF 510, que luego puede ajustar al inyector SCF en una posición abierta o cerrada. La posición debe ajustarse de modo que la presión en el barril durante la recuperación del tornillo se estabilice antes del inicio de la dosificación de SCF 510. Como ejemplo no limitativo, la posición abierta podría estar en el intervalo de 0.3 y 0.4 pulgadas.

Además del sistema de GCP, la máquina 506 de moldeo por inyección ilustrada en la Fig. 5 incluye un control 522 dinámico de temperatura del molde (DMTC) configurado para controlar la temperatura dentro del molde 514. El DMTC 522 puede emplearse junto con el sistema 516 de GCP para garantizar una estructura de celda uniforme dentro del polímero 502 termoplástico en expansión. El DMTC 522 puede configurarse para influir en el cambio rápido y el control de la temperatura y/o la presión del molde durante la etapa de llenado por inyección, y controlar dinámicamente la temperatura y/o la presión del molde mediante el uso de ciclos térmicos fríos y calientes, con o sin contrapresión.

Continuando con la referencia a la Fig. 5, el controlador 503 está configurado para controlar la temperatura del molde 514 durante la etapa 610 de inyección a través del DMTC 522. Más particularmente, en comparación con los procesos de moldeo por inyección conocidos convencionalmente, una característica importante del control dinámico de la temperatura del molde empleado en el presente documento es que la propia temperatura del molde puede controlarse dinámicamente. El DMTC 522 ilustrado en la Fig. 5 utiliza calentamiento rápido de varilla eléctrica y enfriamiento rápido por agua. Específicamente, el DMTC 522 incluye cinco componentes principales: un compresor de aire (no se muestra), un dispositivo 526 de intercambio de válvula, una unidad de control de temperatura del molde controlada por ordenador (dispuesta dentro del controlador 503), una varilla de calentamiento eléctrico (dispuesta dentro del molde 514), y una torre 532 de refrigeración. La torre 532 de enfriamiento se puede usar para suministrar suficiente agua de enfriamiento al molde. El compresor de aire se utiliza para producir aire comprimido como gas impulsor de las válvulas neumáticas y para impedir que el agua de refrigeración residual entre en el molde después del enfriamiento. En la realización que se muestra en la Fig. 5, también se incluye una unidad 534 de calentamiento de agua, y el dispositivo 526 de intercambio de válvulas se usa para cambiar las válvulas para transferir diferentes medios desde las tuberías al molde 514, proporcionando ciclos térmicos fríos y calientes. Por ejemplo, el DMTC 522 puede proporcionar enfriamiento por agua en el intervalo de entre aproximadamente 15 °C y aproximadamente 30 °C, y la barra de calentamiento eléctrico puede calentar el molde entre aproximadamente 60 °C y aproximadamente 150 °C, y puede calentar de manera óptima el molde en el intervalo de 90 °C a 130 °C.

La máquina 506 de moldeo por inyección representada en la Fig. 5 incluye tuberías y otros conductos para el paso de materiales reactivos, cuyos conductos están asociados con una o más unidades de intercambio de calor, para calentar y/o enfriar los reactivos a medida que se bombean dentro y/o a través de los conductos y tuberías. En tal caso, el intercambiador puede controlarse para ajustar la temperatura al nivel reactivo. En un extremo de la tubería se puede incluir un cabezal dosificador, que puede estar asociado a una o más válvulas. Además, el cabezal dispensador se puede conectar a una línea de procesamiento. El molde calentado eléctricamente se utiliza para moldear la forma final de las piezas de espuma. La función del control de temperatura del molde es controlar el calentamiento y enfriamiento del molde; todo esto está coordinado con la máquina de moldeo por inyección mediante control por ordenador.

En consecuencia, como se implementa en el presente documento, el controlador 503 implementa una contrapresión de gas para mejorar el control del proceso de formación de espuma aplicando diferentes presiones de gas en la etapa de inyección como se describe a continuación. El controlador 503 está configurado para manipular el sistema 516 de GCP y el DMTC 522 para regular la temperatura y la presión y controlar así la nucleación y las burbujas resultantes dentro del polímero 502 termoplástico fundido y la matriz espumante resultante.

Como se ilustra en la Fig. 6, en la etapa 610, el émbolo 508 termoplástico avanza forzando al polímero 502 termoplástico fundido a través de una boquilla (no mostrada) que descansa contra y que inyecta el polímero 502 termoplástico en el molde 514. La máquina 506 de moldeo por inyección envía una inyección medida de polímero 502 termoplástico monofásico a la cavidad 514 del molde con temperatura controlada dinámicamente. Antes de la etapa 610 de inyección, el DMTC 522 calienta el molde 514 hasta un límite superior predeterminado. Durante la etapa 610 de inyección, el DMTC 522 mantiene la temperatura de la cavidad 514 del molde por encima del límite superior para evitar que el elastómero 502 termoplástico fundido se solidifique prematuramente. El sistema 516 de GCP proporciona una contrapresión de gas dentro del molde 514 para controlar el crecimiento de los núcleos, evitando que las burbujas de gas entren en contacto y atraviesen la superficie del polímero 502 termoplástico a medida que se forma la parte espumada. Esto se logra mediante la aplicación de la presión de compensación por parte del sistema 516 de GCP en la cavidad del molde al mismo tiempo o aproximadamente al mismo tiempo que la solución monofásica del polímero 502 termoplástico se inyecta en la cavidad 514 del molde. Las burbujas de gas inerte están sujetas a fuerzas suficientes para mantener el SCF 510 dentro del polímero 502 termoplástico durante la etapa 610 de inyección.

Haciendo referencia a la Fig. 6, en las etapas 612 y 614, el controlador 503 manipula la presión y la temperatura dentro del molde 514 para controlar la formación de espuma física del polímero 502 termoplástico. Aunque las etapas de controlar dinámicamente la temperatura del molde 612 y aplicar una contrapresión de gas al molde 614 se ilustran como etapas separadas en el diagrama de flujo de la Fig. 6, las etapas 612 y 614 se pueden realizar simultáneamente o en una sucesión cercana de modo que el controlador 503 controle la temperatura y presión dentro del molde. En las etapas 612 y 614, se experimenta el crecimiento de núcleos dentro del polímero 502 termoplástico fundido y se forman varias burbujas de microceldas. A medida que el controlador 503 (Fig. 5) sube y baja la temperatura en la etapa 612, el SCF 510 se vaporiza y se convierte en burbujas de gas que hacen que el polímero 502 termoplástico forme espuma dentro del molde 514. En la etapa 614, el sistema 516 de GCP envía una dosis previamente medida de gas a contrapresión al molde mediante control por ordenador para crear burbujas sustancialmente uniformes y la contrapresión del gas acondiciona la textura de la superficie para una apariencia cosmética óptima. Las burbujas de gas crecen hasta que el polímero 502 termoplástico llena el molde 514 y se agotan las capacidades de expansión del SCF 510. Debido a que las burbujas alcanzan tamaños de micras, el proceso produce espuma de microceldas. La concentración de SCF 510 puede influir en la estructura de las burbujas de gas. Por lo tanto, el controlador 503 selecciona los parámetros de temperatura y contrapresión del gas para producir una estructura de burbujas de gas útil y/o determinada. A medida que concluye el moldeo de la pieza, el molde se enfría y el polímero termoplástico se solidifica. En la realización representada en la Fig. 6, en la etapa 616 la temperatura del molde controlada dinámicamente se cambia a enfriamiento por agua y la formación de burbujas de gas y la expansión del polímero 502 termoplástico se ralentiza y se detiene. El DMTC 522 enfría rápidamente el molde 514 hasta un límite inferior (la temperatura de expulsión), la pieza 402 moldeada de espuma flexible ahora está formada y es expulsada del molde.

Productos de espuma flexible de microceldas reciclables moldeados por inyección

La Fig. 4, muestra un componente de calzado de la presente divulgación. Más específicamente, una entresuela 400 de zapato de espuma flexible de microceldas reciclable que está hecha de la espuma 402 flexible reciclable.

Como se discutió brevemente anteriormente, el método para fabricar un producto reciclable discutido anteriormente aumenta los efectos beneficiosos para el medio ambiente de utilizar monómeros y polímeros desarrollados a partir de materias primas recicladas porque los productos resultantes pueden reciclarse aún más en monómeros que pueden repolimerizarse en polímeros termoplásticos para usar en la fabricación de otros nuevos materiales plásticos. En particular, la producción de bienes que están configurados para ser reciclados asegura que la espuma flexible durará la vida útil del producto resultante, por ejemplo, al funcionalizarla de manera que no se descomponga ni se deshaga a mitad de uso dentro de los productos terminados. Por ejemplo, sería perjudicial para una persona comprar muebles, un par de zapatos u otro equipo deportivo fabricado con la espuma flexible reciclable de esta divulgación solo para que la espuma se degrade durante el uso regular antes del final de la vida útil de los productos.

Más particularmente, la presente divulgación se beneficia del uso de un agente espumante físico inerte y compuestos poliméricos termoplásticos enumerados anteriormente que no se entrecruzan durante el proceso de fabricación. Las espumas 402 flexibles reciclables resultantes no están entrecruzadas, no contienen agentes espumantes químicos nocivos como el ADA y son benignas para el medio ambiente. Además, las espumas 402 flexibles reciclables se pueden usar en numerosos tipos de productos finales tales como espumas para calzado para usar en la fabricación de zapatos.

La espuma 402 flexible reciclable puede redirigirse a través de la desviación de desechos a una instalación de reciclaje apropiada al final de la vida útil del producto. Debido a que la espuma 402 flexible reciclable no utiliza agentes espumantes químicos como ADA, y debido a que el método descrito en el presente documento no utiliza polímeros termoplásticos que se entrecruzan durante su fabricación, la espuma 402 reciclable se puede triturar, procesar previamente y despolimerizar en uno o más monómeros. Uno de estos monómeros despolimerizados es la caprolactama tal como la caprolactama ECONYL®, ya sea en escamas, líquida o fundida, proporcionada por Aquafil USA Inc., Cartersville, Georgia, o caprolactama despolimerizada, ya sea en escamas, líquida o fundida, proporcionada por DSM Engineering Plastics Americas, Troy Michigan.

Haciendo referencia a la Fig. 7, el método de la presente divulgación contempla un método 700 de reciclaje de la espuma 402 reciclable utilizando un proceso de despolimerización térmica y química de acuerdo con el cual la temperatura de un polímero como PEBA se eleva más allá de la temperatura superior, y se utilizan cualquiera de una serie de reactivos químicos o catalizadores para despolimerizar en sus monómeros constituyentes. En la realización ilustrada en la Fig. 7, el proceso de despolimerización comienza con la etapa 702 separando mecánicamente el polímero termoplástico de la espuma 402 reciclable de cualquier desecho. En la etapa 704 se introduce un catalizador de despolimerización en el polímero termoplástico separado. Los ejemplos no limitativos de catalizadores de despolimerización incluyen ácidos tales como ácido fosfórico y ácido bórico. En la etapa 706 se aplica calor a través de un vapor sobrecalentado que puede actuar para destilar caprolactama y cualquier otro compuesto volátil y produce un destilado que contiene el monómero de caprolactama. Las temperaturas aplicadas pueden oscilar entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 325 °C. En la etapa 708 se fracciona el destilado para separar el agua y la caprolactama de otros subproductos del método de despolimerización. En la etapa 710, se introduce un agente oxidante en la caprolactama acuosa separada. Algunos ejemplos no limitantes de agentes oxidantes incluyen permanganato de potasio, hidrógeno, oxígeno, dicromato de potasio, hipocloritos de sodio o potasio, percloritos o ácido perbórico. En la etapa 712, la caprolactama acuosa oxidada se concentra por ejemplo mediante evaporación. En la etapa 714, el monómero de caprolactama concentrado se purifica mediante destilación al vacío.

Después de la purificación del monómero de caprolactama en la etapa 714, los monómeros despolimerizados pueden volver a polimerizarse en polímeros termoplásticos y utilizarse para fabricar una espuma 402 flexible más reciclable. Por lo tanto, el método de la presente divulgación establece un proceso circular mediante el cual los productos fabricados pueden descomponerse, fabricarse en nuevos productos y reinsertarse en la cadena comercial, en lugar de utilizar nuevos combustibles fósiles crudos u otras materias primas no renovables. Además, las espumas 402 reciclables de la presente divulgación no comprometen ni las propiedades de rendimiento técnico durante su vida útil, ni su diseño respetuoso con el medio ambiente.

Como se discutió anteriormente en el presente documento, los dispositivos, sistemas y sus métodos de uso pueden emplearse con el fin de producir uno o más productos finales moldeados, como componentes para usar en calzado, asientos, automóviles, equipos de protección y/o equipos deportivos. En consecuencia, en varias realizaciones, en el presente documento se proporciona uno o más componentes útiles en la construcción de un zapato, tal como una suela, entresuela y/o plantilla del mismo, por ejemplo donde la suela forma la base del zapato, y está configurada para al hacer contacto con el suelo, la entresuela forma un elemento intermedio estructural y de amortiguación, y la plantilla está configurada para insertarse dentro de un zapato y, por lo tanto, proporcionar amortiguación y/o soporte al zapato.

En ciertas realizaciones, el componente del calzado puede incluir una espuma 402 reciclable producida de acuerdo con el método 600 divulgado en el presente documento que puede ser reciclable y respetuoso con el medio ambiente. En varios casos, cada componente individual puede estar compuesto por una pluralidad de capas que incluyen una capa base y una capa de amortiguación. Por ejemplo, en realizaciones particulares, se puede incluir un elemento de soporte, por ejemplo un elemento de soporte acoplado a la capa base, y donde el componente es una plantilla, que tiene una o más partes de contacto con el arco o contacto con el talón.

Particularmente, en varias realizaciones, se puede producir un material espumado donde los materiales espumados se pueden usar en la producción de cojines, muebles acolchados, componentes de zapatos, tales como plantillas, esteras, fibras, tejidos y similares. Otros productos útiles pueden incluir calafateo, tal como calafateo con silicona, guantes médicos de silicona, tubos de silicona para sistemas de administración de fármacos, adhesivos de silicona, lubricantes de silicona, pinturas de silicona y otros productos de silicona adecuados, por ejemplo, preservativos. En varias realizaciones, los productos de espuma se pueden producir de una manera en la que el material de espuma puede tener una o más propiedades antimicrobianas, antibacterianas, antifúngicas, antivirales y/o antiinflamables.

Más particularmente, en un aspecto, esta divulgación puede estar dirigida en general a un proceso para la fabricación de muebles, tal como muebles tapizados y/o sus cojines, tal como muebles que incluyen o bien están compuestos de espuma, por ejemplo, que es biodegradable y/o compostable. Por lo tanto, las espumas recicladas de la divulgación son ventajosas para su uso en la fabricación de muebles que incluyen tales insertos de espuma producidos. La espuma reciclable producida de acuerdo con el método de la presente divulgación ha demostrado ser ventajosa para su uso como materiales de amortiguación, tales como almohadas, sofás, camas, cojines de asiento u otros muebles tapizados y similares.

Por ejemplo, el método 600 se puede usar para producir un bloque pequeño a grande de espuma 402 reciclable, por ejemplo para formar un inserto de espuma para usar en muebles o componentes de accesorios para automóviles. La espuma en bloque se puede cortar luego en bloques más pequeños del tamaño y la forma deseados, de acuerdo con el tipo y la forma del mueble que se produzca. Específicamente, los bloques dimensionados y cortados se pueden aplicar o bien encajar dentro del mueble o armazón del automóvil u otro material delimitador, que juntos se pueden cubrir para producir el producto del mueble final, ya sea una almohada, un sofá, un cojín, p. ej., un almohadón de sofá o automóvil, o similar. Además, cuando se desee, se puede unir una superficie exterior o un material de delimitación al material del marco, por ejemplo mediante grapas y/o tachuelas, o bien sujetar al marco de un artículo que se va a tapizar y cubrir con una tela u otro material.

En consecuencia, en varias realizaciones, al fabricar muebles tapizados, tales como un sofá o un asiento de automóvil, se puede producir un marco. Varios componentes internos, por ejemplo, estructurales, del mueble pueden instalarse dentro del marco, como resortes o similares, y luego las láminas de la espuma 402 flexible reciclable pueden colocarse en, sobre y alrededor de los resortes, como para amortiguación y/o aislamiento. Por supuesto, se pueden incluir otros materiales, como capas de algodón, lana, fieltro, productos a base de caucho y similares, y luego se puede agregar un material de superficie para cubrir el marco y terminar la fabricación del producto.

Específicamente, las espumas reciclables de la presente divulgación junto con otros materiales divulgados en el presente documento pueden funcionar como acolchado o relleno, que puede moldearse, ajustarse y meterse debajo de una cubierta a medida que el material de la cubierta se estira sobre el marco. Además, como se indicó, en varios casos, la espuma reciclable producida en el presente documento es útil en y por encima de las conocidas en la técnica por varias razones, una de las cuales es el hecho de que las espumas típicas de PU y/o EVA no son reciclables, mientras que el componente de las espumas producidas en el presente documento sí lo son. Por lo tanto, en varias realizaciones, se proporciona un método para construir muebles sobre un marco abierto.

Además, en otro aspecto, esta divulgación se refiere generalmente a un proceso para la fabricación de componentes de calzado, como suelas, entresuelas y/o plantillas de calzado, tal como componentes de calzado que incluyen o bien están compuestos por espuma convencional. Específicamente, en realizaciones particulares, se proporcionan métodos para elaborar suelas, entresuelas, plantillas y/u otros insertos para calzado reciclables. Por ejemplo, el presente inserto para calzado puede ser una forma de dispositivo de amortiguación que está adaptado para insertarse o bien ajustarse dentro de un zapato, por ejemplo, una zapatilla para correr o una zapatilla deportiva, que puede configurarse para reducir el impacto de un pie que golpea una superficie, por ejemplo, el suelo al correr o caminar, absorbiendo y/o atenuando así el impacto en el pie.

En particular, los componentes de la suela del zapato, incluidas las entresuelas y los insertos, pueden incluir una capa o una multiplicidad de capas. Por ejemplo, en algunos casos, se puede proporcionar una capa base, una capa de espuma reciclable y/o una capa de tejido. Específicamente, se puede incluir una capa base de un material relativamente elástico y/o una capa de espuma reciclable dispuesta sobre la capa base y/o una capa de tela dispuesta sobre la capa de espuma reciclable. En consecuencia, el método puede incluir la formación integral de la capa base, la capa de espuma reciclable y el tejido en una lámina trilaminada. En varios casos, se puede disponer una capa de soporte en el área del talón, capa de soporte que se puede construir de un material rígido, por ejemplo de mayor densidad que la de los otros componentes del laminado. Puede proporcionarse y emplearse un adhesivo, pegamento u otro mecanismo de unión para unir y formar el trilaminado con la capa de soporte.

Más particularmente, en otros casos, el método para elaborar un componente de calzado, tal como una plantilla, puede incluir las etapas de: proporcionar una capa de espuma reciclable, proporcionar una capa de tela, calentar la capa de espuma reciclable, unir las capas de espuma reciclable y tela; proporcionar una capa base, por ejemplo, una capa base que tenga una densidad igual, mayor o menor que la de la capa de espuma reciclable; y calentar al menos una de la capa base y la capa de espuma para acoplar la capa base con la capa de espuma reciclable para formar un laminado doble o trilaminado.

Los métodos pueden incluir además proporcionar un elemento de soporte preformado, por ejemplo un soporte de arco y/o un elemento de talón, cuyos elementos pueden tener una densidad sustancialmente igual, menor o mayor que la densidad de la capa de espuma. En casos particulares, el elemento de soporte puede estar formado por un material de espuma comprimido para obtener una mayor densidad y, por lo tanto, una mayor rigidez en comparación con la capa de espuma reciclable. Además, se puede aplicar un adhesivo reactivable por calor y/o presión entre el soporte y/o el elemento del talón y el laminado. A continuación, se puede aplicar una presión de moldeo a la composición para provocar la formación y/o la conformación del trilaminado en el soporte y/o el elemento del talón para formar un inserto de zapato integral de una pieza, con el elemento del talón preformado formando una porción trasera y/o el elemento de soporte formando una porción media de la superficie inferior del inserto para calzado terminado, por ejemplo, en el área media y/o del talón del mismo, y la capa base formando la superficie inferior del inserto para calzado terminado en la zona delantera del mismo.

Debe notarse, sin embargo, que no es necesario incluir un elemento de apoyo y/o de talón y, en algunos casos, uno o más de los componentes del laminado pueden excluirse o agregarse otras capas del laminado. Cabe señalar además que, en ciertas realizaciones, la capa de espuma reciclable puede ser más flexible y/o amortiguadora, por ejemplo, con una mayor dureza que la capa base, que a su vez puede ser más flexible y/o amortiguadora, p. ej., que tiene una dureza mayor que el elemento de soporte. Por lo tanto, las capas base y de espuma más flexibles pueden ser relativamente elásticas y adaptarse en forma al tamaño y configuración de calzado deseados, mientras que la o las capas de soporte pueden ser relativamente más rígidas.

Específicamente, la capa de soporte puede ser de una espuma reciclable más densa, lo que hace que la capa de soporte sea más rígida. Por lo tanto, en varias realizaciones, la capa de espuma reciclable puede tener una densidad de aproximadamente 2 o aproximadamente 3 o aproximadamente 5 a aproximadamente 10 libras por pie cúbico o más, tal como una densidad en el intervalo de entre aproximadamente 4 y 6 libras por pie cúbico. Además, la capa de espuma reciclable puede tener un espesor de aproximadamente 1/8", tal como en un intervalo de espesor de aproximadamente 3/32" - 5/32".

Asimismo, la capa base también puede tener una densidad de aproximadamente 2 o aproximadamente 3 o aproximadamente 5 a aproximadamente 10 libras por pie cúbico o más, tal como una densidad en el intervalo de entre aproximadamente 4 y 6 libras por pie cúbico. El espesor de la capa base puede ser del orden de aproximadamente 5/16" o -10%. Sin embargo, en varios casos, el espesor de la capa base puede oscilar entre aproximadamente 1/4" o menos y aproximadamente H16" de espesor. Con respecto a la capa de soporte, que se puede formar principalmente en las áreas del arco y/o del talón del inserto, que también se puede hacer de la espuma reciclable divulgada en el presente documento.

Sin embargo, la capa de soporte puede fabricarse comprimiendo la espuma 402 reciclable de modo que la densidad final sea del orden de 22-23 libras por pie cúbico. La capa de tela se puede construir de cualquier material adecuado, por ejemplo, algodón, poliéster o tejido de polipropileno. En varios casos, el material y las capas de espuma reciclable pueden laminarse juntas mediante una técnica de laminación por llama que emplea una llama abierta que genera suficiente calor para hacer que la superficie de la capa de espuma reciclable se funda. Una vez fundida, la capa de tela se une a la capa de espuma reciclada y rodillos enfriados para que las dos capas se unan entre sí.

En este punto del proceso, estas capas aún se mantienen en forma de láminas planas. Estas capas integradas pueden luego unirse, también por laminación a la llama, a la capa base. Las capas de material y espuma previamente integradas se pueden unir a la capa de soporte y estas capas multilaminadas se pueden pasar luego entre rodillos enfriados. En esta etapa del proceso, estas capas todavía están en forma de láminas planas. Las capas así laminadas hasta este punto están entonces listas para moldear. Esto se puede realizar calentando las capas laminadas a una temperatura de moldeo de aproximadamente 250 F, tal como por ejemplo durante un período de aproximadamente 1 a aproximadamente 5 minutos o más, por ejemplo, aproximadamente 225 segundos. Esto calienta las capas previamente laminadas lo suficiente como para permitir que se inserten en un molde.

Como se mencionó anteriormente, el agente espumante físico de SCF se puede seleccionar dependiendo de las características deseadas del producto final. El dióxido de carbono, que se convierte en fluido de SCF a 31.1 Celsius y 72.2 bar, es de 4 a 5 veces más soluble en polímeros 502 termoplásticos que el nitrógeno, que se convierte en fluido supercrítico a -147 Celsius y 34 bar. El punto de saturación en un polímero termoplástico reciclable sin relleno es de aproximadamente 1.5 a 2 por ciento en peso de nitrógeno, de acuerdo con las condiciones de temperatura y presión, mientras que el nivel de saturación de dióxido de carbono está más cerca del 8 por ciento en peso. El dióxido de carbono también exhibe una mayor movilidad en el biopolímero, lo que le permite migrar más hacia las burbujas existentes que el nitrógeno. Desde la perspectiva de la nucleación de celdas, una mayor solubilidad y movilidad significa que se nuclearán menos celdas, y las que se nuclean tenderán a ser más grandes.

En las realizaciones discutidas anteriormente, donde el método 600 se usa para producir artículos deportivos como zapatos, el SCF 510 comprende nitrógeno en un estado crítico. El nitrógeno proporciona una reducción de peso mejorada y núcleos finos en porcentajes de peso mucho más bajos que el dióxido de carbono de SCF. Los niveles de nitrógeno de SCF 510 son al menos un 75 por ciento más bajos que el nivel de dióxido de carbono de SCF requerido para lograr piezas comparables. Siendo así, los requisitos de nivel de nitrógeno de SCF muy reducidos en comparación con el dióxido de carbono de SCF aseguran ahorros de material y ahorros de tiempo óptimos cuando se producen en masa las espumas flexibles biodegradables e industrialmente compostables de la presente divulgación como se emplean en la fabricación de componentes de calzado.

Si bien el dióxido de carbono es más pesado, puede ser un agente espumante adecuado en ciertas aplicaciones, como cuando la reducción de la viscosidad es un objetivo del proceso y/o cuando el producto final no puede tolerar la acción espumante más agresiva del nitrógeno de SCF, o en espumas semiflexibles. Por ejemplo, cuando el método 600 se usa para producir muebles y productos automotrices, el SCF 510 comprende dióxido de carbono en un estado crítico porque el dióxido de carbono produce una estructura de celda mucho más grande, aunque de mayor tamaño y/o peso. Durante el proceso de formación de espuma física con un agente de expansión físico, se observa una depresión en la transición vítrea.

Como se discutió brevemente anteriormente, el dióxido de carbono en un estado supercrítico se puede utilizar como agente espumante físico cuando la cantidad de nitrógeno necesaria para producir una pieza es tan baja que no es posible procesar las piezas de manera uniforme. Dado que el dióxido de carbono es un agente espumante menos agresivo, en algunas aplicaciones es más fácil ejecutar niveles bajos de dióxido de carbono. Por ejemplo, se puede utilizar un 0.15 o un 0.2 por ciento de dióxido de carbono (en comparación con niveles de nitrógeno inferiores al 0.05 por ciento) para producir materiales blandos y piezas que tengan secciones transversales gruesas.

Aunque anteriormente se han descrito en detalle algunas realizaciones, son posibles otras modificaciones. Otras realizaciones pueden estar dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para fabricar un producto moldeado de espuma flexible reciclable que comprende:

proporcionar un precursor de polímero termoplástico que comprende al menos un monómero derivado de plástico post-consumo despolimerizado;

insertar un fluido en un barril de un aparato de moldeo en condiciones de temperatura y presión para producir un fluido supercrítico;

mezclar el polímero termoplástico y el fluido supercrítico para crear una solución monofásica;

inyectar la solución monofásica en un molde de una máquina de moldeo por inyección en la que el molde está bajo una contrapresión de gas;

espumar la solución monofásica impregnada con SCF controlando las condiciones de calor y temperatura dentro del molde.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el polímero termoplástico comprende al menos el 40 % del monómero derivado del plástico post-consumo despolimerizado.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el polímero termoplástico comprende al menos el 60 % del monómero derivado del plástico post-consumo despolimerizado.

4. El método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el polímero termoplástico comprende el 90 % o más del monómero derivado del plástico post-consumo despolimerizado.

5. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el monómero comprende caprolactama.

6. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el polímero termoplástico comprende un elastómero termoplástico basado en poliamida.

7. El método de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el polímero termoplástico comprende un copolímero que incluye al menos un monómero de caprolactama.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye además la etapa de reciclar una espuma flexible mediante la despolimerización de la espuma flexible en uno o más monómeros.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la espuma flexible se despolimeriza en caprolactama.