JP4726298B2 - 射出成形された微孔質低密度ポリマー材料を含む成形ポリマー材料 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、一般には構造用ポリマーフォームの加工に関し、さらに詳細には、構造用微孔質フォーム、前記フォームを製造するシステム、および前記フォームの製造法に関する。
【０００２】
発明の背景
構造用発泡材料は公知であり、溶融ポリマー流れ中に物理的発泡剤を注入し、発泡剤をポリマー中に分散して発泡剤の気泡がポリマー中に存在する二相混合物を形成させ、この二相混合物を所望の形状を有する金型中に注入し、そして金型中にて混合物を固化させることによって製造することができる。混合物中の圧力を降下させることにより、ポリマー中の気泡成長を起こさせることができる。物理的発泡剤の代わりに、ポリマー材料中にて化学反応を起こしてガスを形成する化学発泡剤を使用することもできる。化学発泡剤は一般には、臨界温度で分解して、窒素、二酸化炭素、または一酸化炭素等のガスを放出する低分子量有機化合物である。ある条件下では、気泡を隔離された状態のままで造ることができ、この結果独立気泡の発泡材料が得られる。他の条件下では(一般には、より激しい発泡条件)、気泡が破裂するか又は相互につながって、この結果連続気泡の材料が得られる。特許文献に記載の標準的な射出成形の例は下記の通りである。
【０００３】
Angellによる米国特許第3,436,446号は、金型の圧力と温度を調節することによってソリッドスキンを有する発泡プラスチック物品を成形するための方法と装置について開示している。
【０００４】
Baumruckerによる米国特許第4,479,914号は、金型キャビティをガスで加圧して、注入された材料からキャビティへの発泡ガスの速すぎる拡散を防止する、という発泡物品形成法について開示している。予備加圧用ガスは、発泡させようとする材料の注入時において、金型全体にわたって材料を引き寄せる真空を生成する真空チャンバーへと最終的には排出される。
【０００５】
特に低密度の(ボイド体積の大きい)成形ポリマーフォーム材料としては、発泡ポリプロピレン(EPP)や発泡ポリスチレン(EPS)がある。EPPまたはEPSに対する前駆体は、既にある程度または完全に発泡しているそれぞれポリプロピレンまたはポリスチレンのビーズとして供給することができる。一般にはこれらのビーズを蒸気箱金型中に注入し、ビーズを溶融して構造用フォーム物品を形成させる。場合によっては、蒸気箱中にてビーズのさらなる膨張と発泡を起こさせる(EPSの場合が一般的)。EPSとEPPは多くの用途に対して有用な物品であるが、これらはとても理想的とは言えない外観を有することがある。スチレンフォームのカップおよび他のEPP製品やEPS製品等の物品においては、ビーズ間の溶融ラインを肉眼で容易に観察することができる。
【０００６】
微孔質材料は一般に、極めて小さな気泡サイズをもつポリマーフォームによって画定されており、種々の微孔質材料が米国特許第5,158,986号と第4,473,665号に記載されている。これらの特許は、ポリマー材料と物理的発泡剤との単一相溶液を、極めて高い密度の核形成部位を造り出すのに必要とされる熱力学的不安定状態に付し、次いで気泡の成長を制御して微孔質材料を生成させることを開示している。Martini-Vvedenskyによる米国特許第4,473,665号は、微孔質部品を製造するための成形システムと成形法を開示している。ポリマーペレットをガス状発泡剤で予備加圧し、従来型の押出機中で溶融して発泡剤と溶融ポリマーとの溶液を形成し、そしてこの溶液を加圧状態の金型キャビティ中に押し出す。金型中の圧力を、ある特定の初期飽和(given initial saturation)に対する溶融温度でのガス状発泡剤の溶解度圧力(solubility pressure)より高く保持する。成形品の温度が適切な臨界核形成温度(critical nucleation temperature)にまで低下すると、金型に対する圧力が一般には周囲圧力に低下し、これによって前記成形品が発泡する。
【０００７】
Chaらによる米国特許第5,158,986号は、微孔質部品を製造するための別の成形システムと成形法を開示している。ポリマーペレットを従来型の押出機中に導入し、溶融する。超臨界状態において二酸化炭素の発泡剤を押出バレル中に確実に形成させ、混合して発泡剤とポリマー材料との均一溶液を形成させる。混合物がバレルを流れるときに熱力学的不安定状態が造り出されるように、そしてこれによって溶融ポリマー材料中に核形成部位が造り出されるように、押出バレルの一部を加熱する。核形成された材料を加圧状態の金型キャビティ中に押し出す。空気の逆圧によって金型内の圧力を保持する。金型キャビティが広がって、金型中の圧力が急激に低下すると、金型キャビティ内で気泡の成長が起こる。金型キャビティが広がることにより、小さな気泡サイズと高い気泡密度を有する成形発泡物品が得られる。核形成と気泡の成長は手法に従って別々に起こる。すなわち、熱によって誘起される核形成は押出機のバレル中で起こり、気泡の成長は金型中で起こる。
【０００８】
上記特許や他の文献が、微孔質材料の製造、および射出成形による微孔質材料の製造に関連した幾つかの方法を示しているけれども、当業界においては、改良された微孔質材料射出成形法が求められている。
【０００９】
従って本発明の目的は、微孔質構造用フォーム(特に、かなり薄い物品)を製造するのに効果的な射出成形システムと射出成形法を提供することにある。本発明の他の目的は、微孔質構造用フォームを射出成形するのに有用なだけでなく、従来タイプのフォームを射出成形するのにも有用な、また微孔質フォームもしくは従来タイプのフォームの連続的押出を行うのに有用なシステムと方法を提供することにある。
【００１０】
発明の概要
本発明は、成形品を形成できる射出成形システムと射出成形法、および種々の発泡材料を形成するためのシステムと方法に関する。本発明の種々の態様のそれぞれにおいて、ある一組の実施態様では、材料は、気泡サイズと密度によって規定されるような微孔質発泡材料ではなく、またもう一組の実施態様では、材料は、微孔質材料である。
【００１１】
1つの態様によれば、本発明は、構造用微孔質発泡物品が得られるように組み立てられた射出成形システムを含む。本システムは、微孔質材料の前駆体を受け入れるように造られた入口端での入口を有する押出機、成形チャンバー、および前記入口と前記成形チャンバーとを連結している囲われた通路を含む。成形チャンバーは、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない均一液状単一相溶液を受け入れるように、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない均一液状単一相溶液を、液状にて高圧で前記通路内に収容するように、そして前記溶液を、通路内にて下流方向に、入口端から成形チャンバーのほうに液状流れとして進めるように組立・配置されている。囲われた通路は、そこを通過する単一相溶液中の発泡剤が核形成されるような核形成用通路を含む。核形成用通路は、ポリマー材料と核形成されていない発泡剤との均一液状単一相溶液を受け入れるポリマー受け取り端部、核形成されたポリマー材料を放出するように組立・配置された核形成ポリマー放出端部、および前記受け取り端部と前記放出端部とを連結している流体通路を含むように組み立てられている。所望により、ポリマー放出端部は、成形チャンバーのオリフィスを画定してもよいし、あるいは成形チャンバーと流体連通していてもよい。核形成用通路は、液状ポリマーと発泡剤との均一混合物を該通路に通しつつ、少なくとも約0.1GPa/秒、少なくとも約0.3GPa/秒、少なくとも約1.0GPa/秒、少なくとも約3GPa/秒、少なくとも約10GPa/秒、または少なくとも約100GPa/秒の圧力降下速度に付すことができるような長さ寸法と断面寸法を有するように組み立てられている。核形成用通路はさらに、該通路を流れる液状ポリマーを種々の圧力降下速度および/または温度上昇に付すことができるような可変の断面寸法を有するように組み立てることもできる。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、核形成されたポリマー材料を高圧にて収容して高圧での気泡成長を防止するように組立・配置された成形チャンバーを有するシステムが提供される。核形成ポリマー材料をこのような高圧で収容するために、加圧された成形チャンバーを油圧により又は機械的に加圧することができる。加圧成形チャンバーに対する圧力を減少させた後、ポリマー材料を所望の微孔質ポリマー物品の形状に固化させることができる(成形チャンバーが、こうした所望の内部形状を有するように組立・配置されている)。
【００１３】
本発明のさらに他の態様によれば、押出材料の前駆体を受け入れるように造られた入口を含むバレル、発泡剤と発泡ポリマー物品前駆体との核形成されていない液状混合物を放出するように造られた出口、発泡剤の供給源に連結可能なオリフィス、およびバレル内での往復運動のために取り付けられたスクリュー、を有するシステムが提供される。本発明の押出システムはさらに、発泡剤の供給源に連結可能な少なくとも2つのオリフィスを有することができ、またスクリューが往復運動するときに、核形成されていない混合物を少なくとも2つのオリフィスを介してバレル中に連続的に導入するために、オリフィスをバレルの軸に沿って縦方向に配置することができる。本発明のシステムはさらに、第1のバレルと縦一列に連結した第2の押出バレルを含んでよく、このとき前記第2のバレルは、核形成されていない液状混合物を受け入れるように造られた入口を有し、バレル内での往復運動のために取り付けられたスクリューを有する。
【００１４】
さらに他の態様によれば、本発明は、ポリマー前駆体と発泡剤との核形成されていない液状単一相溶液の連続的な流れを確実に形成させ、前記流れに核形成を起こさせて前記混合物の核形成流れを生成させ、前記核形成流れをエンクロージャー中に通し、そして前記混合物をエンクロージャーの形状にて固化させる、という方法を提供する。所望により、前記流れをエンクロージャー中に通しながら、前記流れを少なくとも約0.1GPa/秒の圧力降下速度に連続的に付すことによって前記流れに対し連続的に核形成を起こさせて、核形成材料の連続的な流れを生成させることができる。これとは別に、本発明の方法は、前記流れをエンクロージャー中に通しながら、前記流れを少なくとも約0.1GPa/秒の圧力降下速度に付すことによって前記流れに対して断続的に核形成を起こさせることを含む。これによって、核形成されていない材料が先にエンクロージャーを通り、次いで核形成された材料がエンクロージャーを通る。これとは逆に、核形成材料を先にエンクロージャーに通し、次いで核形成されていない材料をエンクロージャーに通してもよい。本発明の方法はさらに、約10分未満の時間にてエンクロージャーから微孔質固化物品を取り出す工程; 第2の核形成混合物をエンクロージャー中に供給する工程; 前記第2の混合物がエンクロージャーの形状にて固化するのを可能にする工程; および第2の微孔質固化物品をエンクロージャーから取り出す工程; を含む。
【００１５】
本発明はさらに、発泡ポリマー材料の前駆体と発泡剤との装入物を蓄積する工程; 前記装入物の少なくとも約2%を画定している前記装入物の第1部分を、装入物の平均温度より少なくとも約10℃高い温度に加熱する工程; および前記装入物を成形チャンバー中に注入する工程; を含む方法を提供する。
【００１６】
本発明はさらに、発泡剤を実質的に含有しない液状ポリマー材料を含んだ第1の部分と、液状ポリマー材料と発泡剤との混合物を含んだ第2の部分とを含む装入物を成形チャンバーに流体連結されたアキュムレータ中に蓄積する工程; および前記装入物をアキュムレータから成形チャンバー中に注入する工程; を含む方法を提供する。
【００１７】
本発明はさらに、発泡ポリマー材料の前駆体と発泡剤との液状単一相溶液を、前記溶液に対して核形成を起こさせて核形成混合物を生成させつつ、押出装置と流体連通しているアキュムレータから成形チャンバー中に注入する工程; および前記混合物が成形チャンバー中にて微孔質ポリマー物品として固化するのを可能にする工程; を含む方法を提供する。
【００１８】
本発明はさらに、押出スクリューをバレル内にて軸方向に移動させながら、ポリマー押出装置の押出機バレル中に発泡剤を注入する工程、を含む方法を提供する。
【００１９】
本発明はさらに、押出スクリューからの発泡剤をポリマー押出装置のバレル中に注入する工程を含む方法を提供する。
本発明はさらに、押出装置のバレル中に液状ポリマー物品前駆体を確実に形成させる工程; 液状前駆体の一部をバレルから抜き取る工程; 液状前駆体の一部と発泡剤とをミキシングして、発泡剤と液状前駆体の一部との混合物を形成させる工程; および前記混合物をバレル中に導入する工程; を含む方法を提供する。
【００２０】
本発明はさらに、ポリマー材料と超臨界流体との混合物を、約0.125インチ未満の内部寸法を有する部分を含んだ金型中に導入する工程; およびポリマー材料が金型中にて固化するのを可能にする工程; を含む方法を提供する。
【００２１】
本発明はさらに、少なくとも2種の異なる溶融ポリマー成分と超臨界流体発泡剤との混合物を確実に形成させる工程; および前記混合物を押し出して、前記少なくとも2種の成分の非離層フォームを形成させる工程; を含む方法を提供する。
【００２２】
本発明はさらに、ポリマー材料と発泡剤との単一相溶液を開放状態の金型中に注入する工程; 金型を閉じる工程; および微孔質物品を前記金型の形状にて形成させる工程; を含む方法を提供する。
【００２３】
本発明はさらに、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液を確実に形成させる工程; 前記溶液に対して核形成を起こさせつつ前記溶液を成形チャンバー中に導入する工程; 金型に亀裂を入れ、これによって気泡の成長が起こるのを可能にする工程; および成形チャンバーの形状と類似の形状を有するが、成形チャンバーより大きい微孔質ポリマー物品を回収する工程; を含む方法を提供する。
本発明はさらに、微孔質ポリマー材料の前駆体と発泡剤との核形成されていない均一液状単一相溶液を押出機中において形成させる工程; および前記溶液に対して核形成を起こさせつつ成形チャンバーに前記溶液を充填して、核形成された微孔質ポリマー材料前駆体を成形チャンバー中に形成させる工程; を含む方法を提供する。
【００２４】
本発明はさらに、液状ポリマー材料/発泡剤混合物を成形チャンバー中に注入し、前記混合物が成形チャンバー中において微孔質ポリマー物品として固化するのを可能にし、そして固化した微孔質ポリマー物品を成形チャンバーから取り出す工程; および約10分未満の時間の経過後に第2のポリマー/発泡剤混合物を成形チャンバー中に供給し、前記混合物が成形チャンバー中にて別の微孔質ポリマー物品として固化するのを可能にし、そして前記別の微孔質ポリマー物品を成形チャンバーから取り出す工程; を含む方法を提供する。
【００２５】
本発明はさらに、ポリマー材料/発泡剤混合物を約400°F未満の溶融温度にて成形チャンバー中に注入する工程; および少なくとも約5%のボイド体積と少なくとも約50:1の長さ対厚さ比を有する固体ポリマーフォーム物品を成形チャンバー中にて成形する工程; を含む方法を提供する。本方法の特定の実施態様においては、溶融温度は約380°F未満であり、他の実施態様では約300°F未満であり、そしてさらに他の実施態様においては約200°F未満である。
【００２６】
本発明はさらに、非発泡ポリマー材料を成形チャンバー中に注入する工程; および前記ポリマー材料が、成形チャンバーの形状と実質的に同じ形状を有する微孔質ポリマー物品を形成するのを可能にする工程; を含む方法を提供する。本発明の物品は、3つの垂直交差断面軸のそれぞれにおける少なくとも約1/2インチの断面寸法と、少なくとも50%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含む。
【００２７】
本発明によって提供される他の方法は、発泡ポリマー材料の液状前駆体を約100℃未満の成形チャンバー温度にて成形チャンバー中に注入する工程; および前記混合物が成形チャンバー中にて微孔質ポリマー物品として固化するのを可能にする工程; を含む。本発明の物品は、3つの垂直交差断面軸のそれぞれにおける少なくとも1/2インチの断面寸法と、少なくとも約50%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含む。成形チャンバーの温度は、約75℃未満、約50℃未満、あるいは約30℃未満であってよく、発泡ポリマー材料はポリオレフィンであってよい。
【００２８】
本発明によって提供されるさらに他の方法は、非発泡ポリマー材料を成形チャンバー中に注入し、前記混合物が、成形チャンバー中にて少なくとも約50%のボイド体積を有する微孔質ポリマー物品として固化するのを可能にする工程; および前記注入工程と前記固化工程を約1分未満のサイクル時間にて繰り返す工程; を含む。
【００２９】
本発明によって提供されるさらに他の方法は、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液を、微孔質核形成を引き起こすに足る第1の圧力降下速度での急激な圧力降下にさらしつつ成形チャンバー中に注入する工程を含む。その後直ちに、前記第1の圧力降下より小さくて、減少させた圧力降下速度での第2の圧力降下に前記液状単一相溶液をさらすことによって気泡の成長を可能にし、そして気泡の成長を制御する。
【００３０】
本発明のシステムは、発泡ポリマー材料の前駆体と発泡剤を受け入れるための入口と出口とを有するアキュムレータ; 前記アキュムレータの出口と流体連通している入口を有する成形チャンバー; およびシステムの運転時に、前記成形チャンバーに近接したアキュムレータの第1セクションを、アキュムレータの平均温度より少なくとも約10℃高い温度に加熱するよう組立・配置された、前記アキュムレータと連動する加熱装置; を含む。
【００３１】
本発明はさらに、発泡ポリマー材料の前駆体を受け入れるための、そして前記前駆体から液状ポリマー材料を生成するように組立・配置された入口、押出機からの液状ポリマー材料を移送するように配置された第1の出口、物理的発泡剤の供給源と連結可能な、前記第1の出口より下流の発泡剤入口、液状ポリマー前駆体と発泡剤との混合物を生成するように組立・配置された、前記発泡剤入口より下流のミキシング区域、および液状ポリマー前駆体と発泡剤との混合物を移送するように配置された、前記ミキシング区域より下流の第2の出口、を有する押出機; および前記押出機の第1の出口と流体連結された第1の入口と、前記押出機の第2の出口と流体連結された第2の入口とを有するアキュムレータ; を含むシステムを提供する。
【００３２】
本発明はさらに、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない均一液状単一相溶液を放出するように造られた出口端での出口を有する押出機; および前記押出機の出口と流体連通している入口を有する成形チャンバー; を含む、射出成形微孔質材料を製造するためのシステムを提供する。本システムは、単一相溶液を押出機出口から成形チャンバー入口へ移送するように、そして成形チャンバーの充填時に、前記単一相溶液に対して核形成を起こさせて成形チャンバー内に核形成された微孔質ポリマー材料前駆体を形成するように組立・配置されている。
【００３３】
本発明はさらに、押出材料の前駆体を受け入れるように造られた入口および核形成されていない発泡剤と前記前駆体との液状混合物を放出するように造られた出口を有するバレル; 発泡剤の供給源と連結可能なオリフィス; および前記バレル内での往復運動のために取り付けられたスクリュー; を含む押出システムを提供する。
【００３４】
本発明はさらに、微孔質ポリマー材料の前駆体と発泡剤を放出するように造られた出口端での出口を有する押出機; および押出機の出口と流体連通している入口を有する成形チャンバー; を含む、射出成形微孔質材料を製造するためのシステムを提供する。このシステムは、微孔質ポリマー材料の前駆体と発泡剤を成形チャンバー中に周期的に注入するように組立・配置されている。
【００３５】
本発明はさらに、押出材料の前駆体を受け入れるように造られた入口と、核形成されていない発泡剤と前駆体との液状混合物を放出するように造られた出口とを有するバレル; および発泡剤の供給源と連結されたオリフィス; を含む押出システムを提供する。バレル内での往復運動のためのスクリューが取り付けられている。
【００３６】
本発明によって提供される、溶融微孔質ポリマー材料を製造するためのシステムは、溶融微孔質ポリマー材料の前駆体を受け入れるように組立・配置された入口、成形チャンバー、および前記入口と前記成形チャンバーとを連結しているチャネルを含む。このチャネルは、断面積の変化を約25%以下に保持しつつ幅を少なくとも約100%増大させる分岐部分を前記入口と前記成形チャンバーとの間に含む。
【００３７】
本発明の他のシステムは、溶融微孔質ポリマー材料の前駆体を受け入れるように組立・配置された入口、成形チャンバー、および前記入口と前記成形チャンバーとを連結しているチャネルを含む。本チャネルは、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液がシステムが構築されている速度にて核形成用通路を通過するときに、微孔質核形成を引き起こすに足る圧力降下速度にて液状ポリマーに圧力降下をもたらすような長さ寸法と断面寸法を有する核形成用通路を含む。本チャネルは、成形チャンバーの方向に断面寸法が増大する気泡成長区域を、核形成用通路と成形チャンバーとの間に含む。
【００３８】
すぐ上に記載の本発明のシステムは、断面寸法が増大する気泡成長区域を必ずしも含む必要はないが、少なくとも約1.5:1の幅対高さ比を有する核形成用通路を含む。
【００３９】
本発明の他のシステムはすぐ上に記載のシステムに類似しており、核形成用通路は、必ずしも少なくとも1.5:1の幅体高さ比を有する必要はないが、成形チャンバーの1つの方向に等しい幅を有する。
【００４０】
他の態様においては、本発明は、押出スクリューをバレル内にて軸方向に移動させながら、発泡剤をポリマー押出装置の押出機バレル中に注入する工程を含む方法を提供する。1つの実施態様においては、本発明の方法は、押出スクリューからの発泡剤をポリマー押出装置のバレル中に注入する工程を含む。この注入法は、微孔質物品を製造する種々のいかなる従来法と組合わせても使用することができる。他の態様においては、本発明は、ポリマー押出装置のバレル内で回転するように組立・配置された押出スクリューを含み、このとき前記ポリマー押出装置は、スクリューの表面におけるオリフィスと連通しているルーメンをスクリュー内に含んでいる。このルーメンを使用して、発泡剤を押出バレル中に注入することができる。
【００４１】
他の態様においては、本発明は、射出成形品を製造するためのシステムを提供する。本システムは、押出機、成形チャンバー、押出機と成形チャンバーとを流体連結しているランナー、およびランナーと熱的に連通している温度制御器を含む。他の態様によれば、本発明は、発泡剤と射出成形材料の前駆体との液状混合物を押出機中に確実に形成させる工程; 前記混合物をランナーを介して成形チャンバー中に送る工程; 前記混合物の一部をランナー中に液状にて保持しながら、液状混合物の一部を成形チャンバー中で固化させる工程; およびさらなる液状混合物をランナー中に注入し、これによってランナー中の液状混合物の一部を成形チャンバー中に送り込む工程; を含む。
【００４２】
本発明はさらに、液状ポリマー物品前駆体の一部を押出バレルから抜き取る工程; 前記液状前駆体の一部と発泡剤とをミキシングして混合物を形成する工程; および前記混合物を再びバレル中に導入する工程; を含む方法を提供する。
【００４３】
本発明はさらに、押出バレルを有する押出機; 成形チャンバー; ならびにバレル中の第1の上流オリフィス、バレル中の第2の下流オリフイス、および発泡剤の供給源と流体連通しているミキシングチャンバー; を含むシステムを提供する。
【００４４】
他の態様においては、本発明は、成形チャンバーの形状と実質的に同じ形状を有していて、約0.125インチ以下の断面寸法を有する少なくとも一部分を含んだ成形フォーム物品を提供する。
【００４５】
他の態様は、3つの次元(第1の軸に関連した1つの次元が、第2の垂直軸に沿った位置の関数として変化する)に対応した3つの交差主軸を有する三次元ポリマーフォーム物品を含む。本物品は、約0.125インチ以下の断面寸法を有する少なくとも一部分を含み、少なくとも約20%のボイド体積を有する。
【００４６】
他の態様は、三次元に対応した3つの交差主軸を有する三次元ポリマーフォーム物品を含み、このとき第1の軸に関連した前記三次元のうちの1つが、第2の垂直軸に沿った位置の関数として変化する。前記物品は、約0.125インチ以下の断面寸法を有する少なくとも一部分を含む。
【００４７】
他の態様においては、本発明は、少なくとも約50:1の長さ対厚さ比を有する射出成形ポリマー部品を提供し、このとき前記ポリマーが約10未満のメルトインデックスを有する。
【００４８】
他の態様においては、本発明は、少なくとも約120:1の長さ対厚さ比を有する射出成形ポリマー部品を提供し、このとき前記ポリマーが約40未満のメルトインデックスを有する。
【００４９】
他の態様においては、本発明は、少なくとも約5%のボイド体積を、そしてヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない表面を有する射出成形ポリマーフォームを提供する。
【００５０】
他の実施態様においては、本発明は、少なくとも約20%のボイド体積にて約0.125インチ未満の厚さを有する物品を提供する。さらに、ポリマー材料と超臨界流体との混合物を、約0.125インチ未満の内部寸法を有する部分を含んだ金型中に導入する工程; および前記ポリマー材料が金型中で固化するのを可能にする工程; を含み、前記の導入工程と固化工程が10秒未満の時間にて行われるという、このような物品の製造法が提供される。
【００５１】
他の実施態様においては、本発明は、成形チャンバーの形状と実質的に同じ形状を有していて、3つの垂直交差断面軸のそれぞれにおいて少なくとも1/2インチの断面寸法を有する少なくとも一部分を含んだ成形ポリマー物品を提供する。本物品は、少なくとも約50%のボイド体積を有しており、平均気泡壁厚さの気泡壁を含んだ気泡によって画定されている。本物品は、平均気泡壁厚さの約5倍より大きい厚さの反復的な固体境界物を含有していない。
【００５２】
他の態様においては、本発明は、約0.075インチ以下の断面寸法と少なくとも約5%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含んだ成形ポリマーフォーム物品を提供する。
【００５３】
他の実施態様においては、本発明は、約0.075インチ〜約0.125インチの断面寸法と少なくとも約10%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含んだ成形ポリマーフォーム物品を提供する。
【００５４】
他の実施態様においては、本発明は、約0.125インチ〜約0.150インチの断面寸法と少なくとも約15%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含んだ成形ポリマーフォーム物品を提供する。
【００５５】
他の実施態様においては、本発明は、約0.150インチ〜約0.350インチの断面寸法と少なくとも約20%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含んだ成形ポリマーフォーム物品を提供する。
【００５６】
他の実施態様においては、本発明は、複数の気泡を含んでいて、気泡総数の少なくとも70%が150ミクロン未満の気泡サイズ有するという成形ポリマー物品を提供する。
【００５７】
他の実施態様においては、本発明はシステムを提供する。本システムは、ポリマー物品前駆体を受け入れるように造られた上流端での入口と下流端での出口を有するバレル含む。前記バレルは、発泡剤を発泡剤供給源からバレル中の前駆体中に導入して、前駆体物質と発泡剤との混合物をバレル中にて形成させるための、発泡剤供給源と流体連結可能な発泡剤ポートを上流端と下流端との間に含む。本システムはさらに、発泡剤供給源に連結された入口とバレルに連結された出口とを有する計量装置を含む。このとき前記計量装置は、発泡剤供給源から発泡剤ポートまでの発泡剤の質量流量を計量すべく組立・配置されている。本システムはさらに、バレルからの前駆体物質と発泡剤との混合物を受け入れるための、バレルの出口と流体連通している入口を有する成形チャンバーを含む。
【００５８】
他の実施態様においては、本発明は、ポリマーフォーム物品を形成する方法を提供する。本方法は、下流方向に流れているポリマー物品前駆体の流れを押出装置のバレル内に送り込む工程を含む。本方法はさらに、発泡剤を、発泡剤の質量流量によって計量された速度にて流れ中に導入して、液状ポリマー物品前駆体と発泡剤との混合物を形成させる工程を含む。本方法はさらに、液状ポリマー物品前駆体の混合物を、バレルに流体連結された成形チャンバー中に注入する工程を含む。
【００５９】
他の実施態様においては、本発明はシステムを提供する。本システムは、ポリマー物品前駆体を受け入れるように造られた上流端での入口と下流端での出口を有するバレルを含む。前記バレルは、複数のオリフィスを有する発泡剤ポートを、上流端と下流端との間に含む。前記発泡剤ポートは、発泡剤を発泡剤供給源からバレル中の前駆体中に個々のオリフィスを介して導入して、バレル中にて前駆体物質と発泡剤との混合物を形成させるために発泡剤供給源と流体連結可能である。本システムはさらに、バレルからの前駆体物質と発泡剤との混合物を受け入れるための、バレルの出口と流体連通している入口を有する成形チャンバーを含む。
【００６０】
他の実施態様においては、本発明は、ポリマー物品を形成する方法を提供する。本方法は、下流方向に流れているポリマー物品前駆体の流れを押出装置のバレル内に送り込む工程を含む。本方法はさらに、発泡剤供給源からの発泡剤を、バレルと発泡剤供給源とを流体連結している発泡剤ポートにおける複数のオリフィスを介して前記流れ中に導入して、前駆体物質と発泡剤との混合物を形成させる工程; および前駆体物質の混合物を、バレルに流体連結された成形チャンバー中に注入する工程; を含む。
【００６１】
他の実施態様においては、本発明は、射出成形微孔質材料を製造するためのシステムを提供する。本システムは、微孔質材料の前駆体と発泡剤とを蓄積するように組立・配置されていて出口を含んだアキュムレータを含む。本システムはさらに、微孔質材料の前駆体を前記アキュムレータの出口を介して周期的に注入するように組立・配置されたインジェクターを含む。本システムはさらに、アキュムレータの出口と流体連通している入口を有する成形チャンバーを含む。成形チャンバーは、微孔質材料の前駆体を受け入れるように組立・配置されている。
【００６２】
他の実施態様においては、本発明は方法を提供する。本方法は、微孔質ポリマー材料の前駆体と発泡剤との装入物を蓄積する工程、および前記装入物を成形チャンバー中に注入する工程を含む。
【００６３】
本発明の他の利点、他の新規特徴、および他の目的は、本発明の下記の詳細な説明と添付図面(概略図であって、スケールどおりには記載されていない)とを関連させて考察すれば明らかとなろう。図面に関して、種々の図面に記載の全く同じか又はほとんど同じ成分はそれぞれ単一の数字で示してある。わかりやすく明確に示すという点から、全ての図面において全ての構成成分が標記されているわけではなく、また当業者に本発明を理解させる上で必要でない場合は、必ずしも本発明の各実施態様において全ての構成成分を示してはいない。
【００６４】
発明の詳細な説明
同一人に譲渡された同時係属中の、1996年12月20日付け出願の“微孔質ポリマー押出のための方法と装置”と題する米国特許出願第08/777,709号、および同一人に譲渡された同時係属中の、1998年3月5日付け公開の国際特許WO98/08667と1998年7月23日公開のWO98/31521を参照により本明細書に含める。
【００６５】
本発明の種々の実施態様と態様については、下記の説明からより深い理解が得られるであろう。本明細書で使用している“核形成”とは、周囲条件下では気体である化学種の分子が溶解しているポリマー材料の均一単一相溶液が、“核形成部位”を画定するような前記分子のクラスターの形成を起こし、このために気泡が成長する、というプロセスを表わしている。すなわち“核形成”とは、均一単一相溶液から、発泡剤の少なくとも幾つかの分子の凝集部位が形成される混合物への変化を意味している。核形成は、ポリマー溶融液中に溶解しているガスが溶液から出てきて、ポリマー溶融液中に気泡懸濁物を形成するときの一時的な状態を示している。一般には、この一時的状態は、ポリマー溶融液の溶解度を、ある特定量の溶解ガスを含有するに足る溶解度の状態から、その同量の溶解ガスを含有するには不充分な溶解度の状態に変化させることによって強制的に起こされる。核形成は、均一な単一相溶液を急激な熱力学的不安定状態(急激な温度変化、急激な圧力降下、あるいはこれら両方)に付すことによって引き起こすことができる。急激な圧力降下は、核形成用通路(後述)を使用して生じさせることができる。急激な温度変化は、押出機の加熱部分や高温のグリセリン浴等を使用して生じさせることができる。本明細書で使用している“微孔質核形成”とは、制御された膨張を起こさせて微孔質材料をもたらすような充分に高い気泡密度での核形成を意味している。“核形成剤”は、タルクや他の充填剤粒子等の分散された薬剤であり、ポリマーに加えられ、均一単一相溶液からの核形成部位の形成を促進することができる。従って“核形成部位”は、核形成剤粒子が存在するポリマー内の場所を明示しているわけではない。“核形成された(nucleated)”とは、周囲条件下ではガスである溶解化学種を含む均一単一相溶液を含有した液状ポリマー材料の状態を表わしており、ある事象(一般には熱力学的不安定状態)の後に核形成部位の形成を引き起こす状態を表わしている。“核形成されていない(non-nucleated)”とは、ポリマー材料と周囲条件下でガスである溶解化学種との均一単一相溶液を含有していて、核形成部位の存在していない状態を表わしている。“核形成されていない”材料は、タルク等の核形成剤を含んでよい。“ポリマー材料/発泡剤混合物”は、核形成されていない単一相溶液であってもよいし、核形成された溶液であってもよいし、あるいは発泡剤の気泡が成長した状態の混合物であってもよい。“核形成用通路”とは、微孔質ポリマーフォーム押出装置の一部を形成している通路を表わしており、該通路においては、該装置が運転される条件下にて(一般には、核形成装置の上流で約1500〜約30,000psiの圧力にて、および1時間当たりポリマー材料約10ポンド以上の流量にて)、システムにおけるポリマー材料と発泡剤との単一相溶液の圧力が、急激な核形成を容易にする速度にて特定の発泡剤濃度に対する飽和圧力未満に降下する。核形成用通路は、所望により他の核形成用通路と共に、本発明の装置の核形成区域もしくは核形成用区域を画定する。本明細書で使用している“強化材”とは、寸法安定性、強度、あるいは靭性を材料に付与するように組み込まれる補助的材料(実質的に固体材料)を意味している。このような強化材の代表的なものとしては、米国特許第4,643,940号および第4,426,470号に記載の繊維状材料がある。当然のことながら、“強化材”は、寸法安定性を付与するようには造られていない充填剤や他の添加剤も含む。当業者は、ある添加剤が特定の材料と関連した強化材であるかどうかを決定するために該添加剤を試験することができる。
【００６６】
本発明は、ポリマー材料(微孔質ポリマー材料を含む)を押込・射出成形するためのシステムと方法、ならびに押込・射出成形に有用な、そしてさらには他の方法と組合わせるのが有用なシステムと方法を提供する。例えば、射出・押込成形が主として説明されているけれども、本発明は、他の成形法(例えば、低圧成形、同時射出成形、積層成形、および射出圧縮成形など)において使用すべく、当業者によって容易に変更を加えることができる。本発明の目的に適うよう、微孔質材料は、直径約100ミクロン未満の平均気泡サイズを有する発泡材料、あるいは少なくとも約10⁶気泡/cm³を越える気泡密度を有する材料であると定義する。非微孔質フォームは、これらの範囲外の気泡サイズと気泡密度を有する。微孔質材料のボイドフラクションは、一般には5%から98%まで変わる。超微孔質材料は、本発明の目的に沿って、1μm未満の気泡サイズと10¹²/cm³を越える気泡密度を有する材料であると定義する。
【００６７】
好ましい実施態様においては、約50ミクロン未満の平均気泡サイズを有する本発明の微孔質材料が製造される。幾つかの実施態様では特に小さな気泡サイズが求められ、これらの実施態様においては、本発明の材料は、約20ミクロン未満の平均気泡サイズを有し、さらに好ましくは約10ミクロン未満の平均気泡サイズを有し、そしてさらに好ましくは約5ミクロン未満の平均気泡サイズを有する。微孔質材料は約100ミクロンの最大気泡サイズを有するのが好ましい。特に小さな気泡サイズが求められる実施態様においては、微孔質材料は、約50ミクロンの最大気泡サイズを有し、さらに好ましくは約25ミクロンの最大気泡サイズを有し、さらに好ましくは約15ミクロンの最大気泡サイズを有し、さらに好ましくは約8ミクロンの最大気泡サイズを有し、そしてさらに好ましくは約5ミクロンの最大気泡サイズを有する。種々の実施態様が一組になって、上記の平均気泡サイズと最大気泡サイズのあらゆる組合わせを含む。例えば、このセットの実施態様中の1つの実施態様は、最大気泡サイズが約50ミクロンであって平均気泡サイズが約30ミクロン未満である微孔質材料を含み、また他の実施態様は、最大気泡サイズが約35ミクロンであって平均気泡サイズが約30ミクロン未満である微孔質材料を含む。すなわち、好ましい平均気泡サイズと最大気泡サイズとの特定の組合わせを有する、種々の目的に適合した微孔質材料を製造することができる。気泡サイズの制御については下記にて詳しく説明する。
【００６８】
1つの実施態様においては、本発明の方法に従って実質的に独立気泡の微孔質材料が製造される。本明細書で使用している“実質的に独立した気泡”とは、約100ミクロンの厚さにて、材料を通して連結した気泡通路を含んでいない材料を意味している。
【００６９】
図1を参照すると、本発明の種々の実施態様に従って成形を行うのに使用することのできる成形システム30が概略的に示されている。図1のシステム30は、第1の上流端と成形チャンバー37に連結された第2の下流端とを有するバレル32を含む。バレル32内での回転のために、上流端にて駆動モーターに連動するスクリュー38が取り付けられている。詳細には図示していないが、スクリュー38は、供給セクション、移行セクション、ガス注入セクション、ミキシングセクション、および計量セクションを含む。
【００７０】
所望により、温度制御ユニット42がバレル32に沿って配置されている。温度制御ユニット42は電気ヒーターであってもよく、温度制御流体のための通路などを含んでもよい。ユニット42は、バレル内にてペレット化材料または液状ポリマー材料の流れを加熱して計量を容易にするために、および/または前記流れを冷却して粘度および場合によっては発泡剤の溶解度を調節するために使用することができる。温度制御ユニットは、バレルに沿った異なった場所で別々に作動させることができる。すなわち、1つ以上の場所にて加熱し、そして1つ以上の異なった場所にて冷却するように作動させることができる。いかなる数の温度制御ユニットを取り付けてもよい。
【００７１】
バレル32は、ポリマー材料の前駆体を受け入れるように組立・配置されている。本明細書で使用している“ポリマー材料の前駆体”は、流体である材料、流体を形成しうる材料、および引き続き硬化して微孔質ポリマー物品を形成できる材料等の全ての材料を含む。一般には、前駆体は熱可塑性ポリマーのペレットとして示されるが、他の化学種を含んでもよい。例えば、1つの実施態様においては、前駆体は、種々の条件下で反応して上記のような微孔質ポリマー材料を形成する化学種として定義することもできる。本発明は、反応してポリマーを形成できる化学種、一般にはモノマー、または低分子量ポリマー前駆体のあらゆる組合わせ(混合され、反応が起こるにつれて発泡する)からの微孔質材料の製造を含む。一般には、本発明により包含される化学種は、反応中に、そして発泡中に、ポリマー成分の架橋によってポリマー分子量の大幅な増大が起こる熱硬化性ポリマーを含む。例えば、ポリヘキサメチレンアジパミドやポリ(ε-カプロラクタム)等の脂肪族ポリアミドと芳香族ポリアミドを含む、縮合タイプと付加タイプのポリアミド; ポリジシクロペンタジエンを含めたシクロ芳香族ポリマー等のポリエン; ポリアクリルアミド、ポリアクリルアメート(polyacrylamate)、およびアクリルエステルポリマー(例えば2-シアノアクリル酸エステルポリマー)等のアクリルポリマー; アクリロニトリルポリマー; およびこれらの組合わせ物; などがある。
【００７２】
熱可塑性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーの組合わせ物は、ポリオレフィン(例えばポリエチレンやポリプロピレン)、フルオロポリマー、架橋性ポリオレフィン、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、およびポリアロマティクス(例えば、ポリスチレンを含めたスチレンポリマー)を含む非晶質材料、半結晶質剤利用、および結晶質材料から選択するのが好ましい。熱可塑性エラストマーも使用することができ、特にメタロセン触媒によるポリエチレンがある。
【００７３】
一般には、ポリマー材料の前駆体を導入するには、オリフィス46を介して押出機バレル中に供給すべきペレット化ポリマー材料を収容するための標準的なホッパー44が使用されるが、前駆体は、オリフィスを介して注入され、バレル内にて、例えば補助重合触媒によって重合される液状プレポリマー材料であってもよい。本発明に関しては、ポリマー材料の液状流れがシステム中において確実に形成されることが重要である。
【００７４】
図1におけるスクリュー38の下流端48のすぐ下流に区域50がある。この区域50は、温度調節・制御区域、補助ミキシング区域、あるいは補助ポンプ移送区域などであってよい。例えば、区域50は、核形成(後述)の前に液状ポリマー流れの温度を調節するための温度制御ユニットを含んでよい。区域50は、この代わりに、あるいはこれに加えて、追加の標準的なミキシングユニット(図示せず)又はギヤポンプ等の流量制御ユニット(図示せず)を含んでもよい。他の実施態様においては、区域50を、冷却用区域を含む縦一列に並んだ別のスクリューで置き換えてもよい。スクリュー38が射出成形システムにおける往復運動スクリュー(詳細については後述)である場合の実施態様では、区域50が、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液が金型37中への注入前に蓄積される蓄積区域を画定する。
【００７５】
本発明による微孔質材料の製造では、物理的発泡剤(すなわち、周囲条件下にて気体である薬剤; 詳細については後述)を使用するのが好ましい。しかしながら、化学発泡剤も使用することができ、ホッパー44中に導入されるポリマーペレットと共に配合することができる。適切な化学発泡剤としては、臨界温度または押出において達成しうる他の条件において分解し、窒素、二酸化炭素、または一酸化炭素等のガスを放出する比較的低分子量の有機化合物がある。例としてはアゾジカルボアミド等のアゾ化合物が挙げられる。
【００７６】
前述したように、好ましい実施態様においては物理的発泡剤が使用される。化学発泡剤ではなく物理的発泡剤が使用される実施態様の1つの利点は、生成物の再循環可能性が最大限に高められるという点である。化学発泡剤を使用すると、残留する化学発泡剤と発泡剤副生物のために不均一な材料がもたらされるので、一般には再循環に対するポリマーの適性が低下する。化学発泡剤で発泡したフォームは、最終的なフォーム生成物が得られた後に、本位質的に、未反応の残留化学発泡剤だけでなく、発泡剤を形成する反応の化学副生物を含むので、このセットの実施態様における本発明の材料は、残留化学発泡剤または化学発泡剤の反応副生物を、0.1重量%以上の化学発泡剤を使用して発泡した物品において見られるより少ない量にて、そして好ましくは0.05重量%以上の化学発泡剤を使用して発泡した物品において見られるより少ない量にて含む。特に好ましい実施態様においては、材料は、本質的に残留化学発泡剤を含有しないか、又は化学発泡剤の反応副生物を含有しないことを特徴とする。すなわち、いかなる化学発泡剤を使用して発泡した物品において本質的に見られるより少ない残留化学発泡剤または副生物を含む。本実施態様おいては、システム30のバレル32に沿って、物理的発泡剤の供給源56と流体連通している少なくとも1つのポート54がある。当業者に公知の種々の発泡剤(例えば、ヘリウム、炭化水素、クロロフルオロカーボン、窒素、二酸化炭素、およびこれらの混合物等)のいずれも本発明に対して使用することができ、好ましい実施態様によれば、供給源56は二酸化炭素を発泡剤として供給する。超臨界流体発泡剤(特に超臨界ニ酸化炭素)が極めて好ましい。1つの実施態様においては、発泡剤として超臨界二酸化炭素だけが使用される。超臨界二酸化炭素を押出機中に導入し、二酸化炭素を超臨界流体として注入することによって、あるいは二酸化炭素を気体もしくは液体として注入し、押出機内の条件により、多くの場合において二酸化炭素を数秒以内に超臨界にすることによって、ポリマー材料との単一相溶液を速やかに形成させることができる。二酸化炭素を押出機中に超臨界状態にて注入するのが好ましい。このようにして形成される超臨界二酸化炭素とポリマー材料との単一相溶液は粘度が極めて低く、従ってより低い温度で成形できること、および精密許容差を有する金型を高速充填できることから、極めて薄い成形品(これについては後述)を形成できるので有利である。
【００７７】
一般には、圧力・計量機器(pressure and metering device)58が、発泡剤供給源と少なくとも1つのポート54との間に取り付けられている。押出機内のポリマー流れ中の発泡剤の量を制御して発泡剤を所望のレベルに保持するように、機器58を使用して、発泡剤の質量を0.01ポンド/時間〜70ポンド/時間に、好ましくは0.04ポンド/時間〜70ポンド/時間に、さらに好ましくは0.2ポンド/時間〜12ポンド/時間に計量調節することができる。一組の実施態様によれば、ポリマー流れ中の発泡剤の量は、ポリマー流れと発泡剤との混合物の重量を基準として約0.1〜25重量%であり、好ましくは約1.0〜25重量%であり、さらに好ましくは約6〜20重量%であり、さらに好ましくは約8〜15量%であり、さらに好ましくは約10〜12量%である。使用する発泡剤の種類と使用量は、ポリマーの種類、所望する低密度、所望する気泡サイズ、および所望する物理的性質に依存することが多い。窒素が発泡剤として使用される実施態様では、発泡剤は0.1%〜2.5%の量にて、場合によっては好ましくは0.1%〜1.0%の量にて存在し、また二酸化炭素が発泡剤として使用される実施態様では、発泡剤の質量流量は、幾つかの場合においては0.1%〜12%であり、好ましい実施態様においては0.5%〜6.0%である。
【００７８】
圧力計量機器を、発泡剤をポリマー材料の流量に関連して計量するのを制御するために駆動モーター40に連結されている制御器(図示せず)に連結して、液状ポリマー混合物中の発泡剤の重量%を極めて正確に制御することができる。例えば、発泡剤の質量流量は、好ましい場合には±0.3%以下で変化するように制御することができる。
【００７９】
ポート54は、バレルに沿った種々の場所のどこにでも配置することができるが、好ましい実施態様によれば、ポート54は、スクリューのミキシングセクション60のすぐ上流に、そしてスクリューがブレイクされていないフライトを含んでいる場所62に配置される。
【００８０】
図1Aを参照すると、発泡剤ポートの好ましい実施態様がさらに詳細に示されており、またバレルの相対する上側と下側に存在する2つのポートが示されている。この好ましい実施態様においては、ポート54は、スクリュー38のミキシングセクション60(高度にブレイクされているフライトを含む)から上流の区域に、約4フルフライト(full flights)以下の、好ましくは約2フルフライト以下の、あるいは1フルフライト以下の距離にて配置されている。このように配置されているために、注入された発泡剤が、液状ポリマー流れ中に極めて速やかに且つ均一に混合されて、発泡材料前駆体と発泡剤との単一相溶液が速やかに得られる。
【００８１】
ポート54は、図示の好ましい実施態様においては、発泡剤供給源と押出機バレルとを連結している複数のオリフィス64を含んだ複数孔ポートである。図からわかるように、好ましい実施態様においては、複数のポート54は、押出機バレルのまわりに放射状に種々の位置にて設けられており、互いに縦方向に整列していてもよい。例えば、複数のポート54を押出機バレルのまわりに12時位置、3時位置、6時位置、および9時位置に配置することができ、それぞれが複数のオリフィス64を含む。このように、各オリフィス64が発泡剤オリフィスであると考えられる場合、本発明は、押出機バレルと流体連通している(バレルと発泡剤供給源とを流体連結している)少なくとも10個の、好ましくは少なくとも約40個の、さらに好ましくは少なくとも約100個の、さらに好ましくは少なくとも約300個の、さらに好ましくは少なくとも約500個の、そしてさらに好ましくは少なくとも約700個の発泡剤オリフィスを有する押出装置を含む。
【００８２】
さらに図1Aに示すような好ましい実施態様においては、発泡剤オリフィスが押出機バレルのまわりにて、好ましいスクリューがバレルに取り付けられているときに、オリフィスが隣接のブレイクされていない完全なフライト65であるような場所に配置されている。このように、スクリューが回転すると、各フライトが各オリフィスを周期的に通過もしくは“ワイプ(wipe)”する。このワイピングにより、各オリフィスが周期的に塞がれるために(フライトがオリフィスに対して、整列しているオリフィスを完全に塞ぐのに充分な大きさであるとき)、各オリフィスが本質的に急速に開放・閉止されることによって、発泡剤と液状発泡材料前駆体との高速ミキシングが増大する。この結果、注入時およびミキシングの前に、液状ポリマー材料中に発泡剤の比較的微細で隔離された区域が分布するようになる。この集成体においては、約30rpmの標準的なスクリュー回転速度にて、少なくとも約0.5回通過/秒の割合で、好ましくは少なくとも約1回通過/秒の割合で、さらに好ましくは少なくとも約1.5回通過/秒の割合で、そしてさらに好ましくは少なくとも約2回通過/秒の割合でフライトが各オリフィスを通過する。好ましい実施態様においては、オリフィス54は、スクリューの端部(上流端34)から約15〜約30のバレル直径の距離にて配置される。
【００８３】
上記の集成体を使用すると、一組の実施態様に従って実施される本発明の方法が容易になる。本方法は、少なくとも約40ポンド/時間の速度で流れている液状ポリマー材料中に、周囲条件下では気体である発泡剤を約1分未満の時間で導入する工程、および発泡剤と液状ポリマーとの単一相溶液をもたらす工程を含む。発泡剤流体は溶液中に、集成体中の溶液の重量を基準として少なくとも約2.5重量%の量にて存在する。好ましい実施態様においては、液状ポリマー材料の流量は少なくとも約60ポンド/時間であり、さらに好ましくは少なくとも約80ポンド/時間であり、そして特に好ましい実施態様においては少なくとも約100ポンド/時間より大きく、発泡剤流体が加えられ、少なくとも約3重量%の量にて、さらに好ましくは少なくとも約5重量%の量にて、さらに好ましくは少なくとも約7重量%の量にて、そしてさらに好ましくは少なくとも約10重量%の量にて溶液中に存在している発泡剤との単一相溶液が1分以内に形成される(前述したように、他のセットの好ましい実施態様においては、より低いレベルの発泡剤が使用される)。これらの集成体においては、少なくとも約2.4ポンド/時間の発泡剤(好ましくはCO₂)を流体流れ中に導入して単一相溶液を形成させる。最適の発泡剤濃度を達成するために、発泡剤の導入速度をポリマーの流量と整合させる。
【００８４】
超臨界流体発泡剤はさらに、異種ポリマー材料の高速で充分なミキシングを容易にし、これによって異種ポリマー材料をミキシングして、成形後の離層を起こすことなく異種ポリマー材料を成形するための方法が提供される、という点において利点をもたらす。異種材料としては、例えば、ポリスチレンとポリプロピレン、あるいはポリスチレンとポリエチレンなどがある。これらの異種材料は一般には、かなり異なった粘度、極性、あるいは化学的官能性を有しており、ほとんどのシステムにおいて、よく混合された均一な組み合わせ物の形成が妨げられ、従って離層や他の物理的特性の低下もしくは悪化を引き起こす。本実施態様においては、少なくとも2種の異種成分が存在していて、少ないほうの成分が少なくとも約1重量%の量にて、好ましくは少なくとも約5重量%の量にて、さらに好ましくは少なくとも約10重量%の量にて、そしてさらに好ましくは少なくとも約20重量%の量にて存在するのが好ましい。
【００８５】
異種ポリマー材料の組合わせ物を形成するための典型的な従来法は、異種ポリマー材料を押し出す工程とペレット化する工程を含み、得られたペレットが図1のようなシステムのホッパー44に供給される。本発明のこの態様に従って超臨界流体発泡剤を使用すると、プレミックスされたペレットを使用する必要性がなくなるか、あるいは装置を複雑にしなくても済むようになる。この態様においては、異なったポリマーペレットの混合物(例えば、ポリスチレンペレットとポリプロピレンペレットとの混合物)をホッパー44に供給し、溶融し、超臨界流体発泡剤と充分に混合し、そしてよく混合された均一混合物として押し出すことができる。本発明のこの態様においては、発泡剤と多成分ポリマー材料との単一相溶液を、下記の流量および下記の時間にて形成することができる。本発明のこの態様を使用して、押出、本明細書に記載の成形、あるいは他の方法で処理したときに離層を起こしにくい少なくとも2種のポリマー材料で構成されるポリマー物品を形成することができる。
【００８６】
上記の集成体を射出成形または押込成形と組合わせて使用すると、本発明の幾つかの実施態様に従って行う方法が容易になる。本方法は、約0.4〜約1.4ポンド/時間の速度で流れている液状ポリマー材料中に、周囲条件下では気体である発泡剤を約1分未満の時間にて導入する工程、および発泡剤流体とポリマーとの単一相溶液をもたらす工程を含む。発泡剤流体は溶液中に、本集成体における溶液の重量を基準として少なくとも2.5重量%の量にて存在する。幾つかの実施態様においては、液状ポリマー材料の流量は約6〜12ポンド/時間である。これらの集成体においては、発泡剤流体が加えられ、少なくとも約3重量%の量にて、さらに好ましくは少なくとも約5重量%の量にて、さらに好ましくは少なくとも約7重量%の量にて、そしてさらに好ましくは少なくとも約10重量%の量にて溶液中に存在している発泡剤との単一相溶液が1分以内に形成される(しかしながら、前述したように、他のセットの好ましい実施態様においては、より低いレベルの発泡剤が使用される)。これらの集成体においては、少なくとも約2.4ポンド/時間の発泡剤(好ましくはCO₂)を流体流れ中に導入し、混合して単一相溶液を形成させる。最適の発泡剤濃度を達成するために、発泡剤の導入速度をポリマーの流量と整合させる。
【００８７】
区域50の下流には、圧力降下核形成用通路67を含むように造られた核形成器(nucleator)66がある。本明細書において急激な圧力降下に関して使用されている“核形成用通路”とは、微孔質ポリマーフォーム押出装置の一部を形成する通路を意味しており、該装置が作動するように設計されている条件下(一般には、核形成器の上流にて約1500〜約30000psiの圧力、およびポリマー材料について約5ポンド/時間を超える流量)にて、システムにおけるポリマー材料と発泡剤との単一相溶液の圧力が、核形成を容易にする速度にて特定の発泡剤濃度に対する飽和圧力未満に降下する。核形成用通路67は、ポリマー材料前駆体と発泡剤との単一相溶液を液状ポリマー流れとして受け入れるための入口端69と、核形成されたポリマー材料を成形チャンバーもしくは金型に移送するための核形成ポリマー放出端70とを含む。核形成器66は、区域50より下流で、金型37より上流の種々の場所に配置することができる。好ましい実施態様においては、核形成器66は、
押出機と成形チャンバーとを連結しているノズルを核形成器が画定するように、また核形成ポリマー放出端70が成形チャンバー37のオリフィスを画定するように、金型37と直接流体連通した状態で配置される。1セットの実施態様によれば、本発明のポイントは、核形成器を金型の上流に配置することにある。図示していないけれども、核形成器66の他の実施態様は、可変の断面寸法を有するように組立・配置された各形成用通路67(すなわち、断面を調節することのできる通路)を含む。可変断面を有する核形成用通路により、通路を通過する液状ポリマー材料の流れにおける圧力降下速度を変えることができ、これにより所望の核形成密度を達成することができる。
【００８８】
1つの実施態様においては、その長さに沿って断面寸法が変わる核形成用通路が使用される。特に、下流方向に断面寸法が減少する核形成用通路は圧力降下速度を大幅に増大させることができ、これにより比較的低レベルの発泡剤を使用して極めて高い気泡密度をもつ微孔質材料の形成が可能となる。これらの核形成器、他の代表的な核形成器、および好ましい核形成器が、“微孔質押出のための方法と装置”と題する同時係属中の米国特許出願第08/777,709号、およびAndersonらによる“微孔質ポリマー押出のための方法と装置”と題する国際特許出願PCT/US97/15088に記載されている(これら2つの特許文献を参照により本明細書に含める)。
【００８９】
通路67が核形成用通路を画定しているが、金型の充填中にポリマー材料に対する圧力が急激に降下するので、金型自体の中にて幾らかの核形成も起こる。
図1のシステムは本発明の1つの一般的な実施態様を示しており、本実施態様によれば、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液が、急激な圧力降下により核形成されつつ、スクリュー38の回転運動によって成形チャンバー37中に送り込まれる。本実施態様は押込成形法を示しており、必要とされる発泡剤ポート54は1つだけである。
【００９０】
他の実施態様においては、システム30のスクリュー38が往復運動スリクューであり、システムは射出成形システムを表わしている。本実施態様においては、スクリュー38がバレル32内で往復運動できるように取り付けられていて、バレル32に沿って軸方向に配置された複数の発泡剤入口もしくは注入ポート54、55、57、59、および61を含んでおり、前記の入口もしくはポートのそれぞれが、圧力・計量機器58および発泡剤供給源56とバレル32とを流体連結している。注入ポート54、55、57、59、および61が、それぞれメカニカル閉止弁154、155、157、159、および161を含んでよく、これらの弁によって、押出機バレル38中への発泡剤の流入を、バレル内での往復運動スクリュー38の軸方向位置の関数として制御することが可能となる。本実施態様によれば、液状ポリマー材料と発泡剤との装入物(幾つかの実施態様では、核形成されていない単一相装入物であってよい)がスクリュー38の下流端48より下流の区域50に蓄積される。スクリュー38をバレル内にて遠位に(下流方向に)強制的に動かして、区域50中の装入物が金型37中に注入されるようにする。メカニカル閉止弁64(金型37のオリフィス70の近くに設置されている)を閉じ、そして金型37を開いて、射出成形品を取り出すことができる。スクリュー38を近位に(バレルの上流端の方向に)後退させながら回転させ、そして閉止弁155、157、154、および159を全て閉じつつ閉止弁161を開くことにより、最も遠位のポート61だけを介して発泡剤をバレル中に注入することが可能となる。スクリューが回転しながら後退するにつれて、閉止弁159が開きつつ閉止弁161が閉じ、次いで弁154が開きつつ弁159が閉じる、等。すなわち、発泡剤供給源56からバレル32への発泡剤の注入を制御する閉止弁は、スクリュー38が近位に後退するにつれて、発泡剤の注入場所がバレルに沿って近位に(上流方向に)移動するように制御される。この結果、スクリュー38に沿った実質的に一定の場所で注入がなされることになる。従って、発泡剤が液状ポリマー材料に加えられ、バレル内でのスクリュー38の位置に関係なく、均一となる程度および時間にわたってポリマー材料と混合される。このような目的で、閉止弁155、157、...等の2つ以上を同時に開放もしくは少なくともある程度開放して、開いている注入ポート間のスムーズな移行を達成することができ、またバレル38に沿った実質的に一定の発泡剤注入場所を保持することができる。
【００９１】
バレル38がいったん完全に後退すると(発泡剤は注入ポート55だけを介して導入される)、全部の発泡剤閉止弁が閉じられる。この時点で、バレルの遠位区域50内には実質的に均一な液状ポリマー材料/発泡剤混合物が存在する。次いで閉止弁64が開かれ、スクリュー38が遠位に移動されて、ポリマー材料と発泡剤との装入物が金型37中に注入される。
【００９２】
往復運動スクリューを含む本発明の実施態様を使用して、非微孔質フォームや微孔質フォームを製造することができる。非微孔質フォームを製造しようとする場合、遠位区域50に蓄積されている装入物は、ポリマー材料中に発泡剤の気泡を比較的低圧にて含んだ多相混合物であってもよい。金型37中にこのような混合物を注入すると、気泡が成長して、従来のフォームが製造される。微孔質材料を製造しようとする場合は、核形成されていない単一相溶液を区域50に蓄積し、核形成を起こさせながら金型37中に注入する。
【００９３】
上記の集成体を使用すると、液状ポリマー材料中における種々の濃度の発泡剤が、バレルの遠位部分50に蓄積された装入物中の異なった場所にもたらされる、という他のセットの実施態様に従って行われる本発明の方法が容易になる。これは、閉止弁155、157、154、159、および161を制御して、不均一な発泡剤濃度を生成させることによって達成することができる。この方法により、種々の密度を有する物品(例えば、固体外面と発泡内面を有する物品)を製造することができる。密度が異なる部分を有する物品を製造するための1つの方法が、図5〜7を参照しつつ下記にて詳細に説明されている。
【００９４】
図示していないが、成形チャンバー37は、注入時に金型内の空気を排出させるためのベントを含んでよい。均一な微孔質発泡が起こるよう気泡の成長を制御するために、注入時に充分な背圧が得られるような大きさにベントを造ることができる。他の実施態様においては、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液が、開放金型中に導入されつつ核形成され、次いで金型を閉じて微孔質物品が成形される。
【００９５】
他の態様によれば、別個のアキュムレータを使用する射出成形システムが提供される。図2を参照すると、射出成形システム31は、図1に示したのと類似の押出機を含む。この押出機は、図1のシステムと同様の往復運動スクリューを含んでよい。金型37へ注入する前に溶融ポリマー材料を蓄積するための、少なくとも1つのアキュムレータ78が組み込まれている。押出機は、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液をアキュムレータに移送するための導管53を介してアキュムレータの入口79と流体連結された出口を含む。
【００９６】
アキュムレータ78は、アキュムレータハウジング中にて軸方向に(近位方向と遠位方向に)移動するように組立・配置されたプランジャー83をハウジング81内に含む。プランジャーは、近位方向に後退して、入口79を介してアキュムレータにポリマー材料/発泡剤を充填させ、次いで遠位方向に移動して、ポリマー材料/発泡剤混合物を金型37中に強制的に送り込むことができる。位置が後退すると、溶融ポリマー材料と発泡剤の単一相溶液の装入物がアキュムレータ78中に蓄積される。アキュムレータ78が完全に充填されると、システム(例えば、油圧制御によるリトラクタブル注入シリンダー(図示せず))により蓄積装入物が核形成器66に通され、得られた核形成混合物が成形チャンバー37中に強制的に送られる。この集成体は、ポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液が、成形チャンバーを充填するプロセスの結果として核形成される、という他の実施態様を示している。これとは別に、核形成されていないポリマー材料ではなく核形成ポリマー材料が蓄積されるように(この後に金型37中に注入される)、区域50の下流でアキュムレータ78の上流に圧力降下核形成器(pressure drop nucleator)を配置することもできる。
【００９７】
他の集成体においては、図1に示す往復運動スクリュー押出機を図2のシステム31と共に使用して、プランジャー83にかかる圧力が、アキュムレータ内にて核形成が防止されるほどに充分に高い状態にて(あるいは、アキュムレータ内で核形成材料がもたらされる場合は、気泡の成長が妨げられる状態にて)、ポリマー材料と発泡剤との装入物(核形成されていないままであっても、あるいは押出機からアキュムレータ中に送り込まれるときに核形成されてもよい)を連続的に注入することができる。複数の装入物がアキュムレータ中に導入される場合は、閉止弁64を開き、プランジャー83を遠位方向に移動させて、アキュムレータ内の装入物を金型37中に移送することができる。この点は、かなり大きな成形品を製造するのに有利である。
【００９８】
アキュムレータへの材料の流れ調節するための、押出機への逆流を防止するための、核形成されていない発泡剤と溶融ポリマー材料との単一相溶液を維持するのに必要とされるシステム圧力を保持するための、あるいはこれとは別に、導入された核形成材料の気泡成長を防止するためのボール逆止め弁85が、アキュムレータの入口79の近くに設置されている。射出成形システム31は、製造速度を高めるために、押出機30と成形チャンバー37とに流体連通している2つ以上のアキュムレータを所望により含んでもよい。
【００９９】
システム31は、幾つかの追加の構成成分(詳細については後述)を含む。
図3と4は、本発明の射出成形システムと共に使用するための、別の実施態様に従った成形チャンバーを示している。図3においては、金型キャビティ84、温度制御エレメント82、可動壁体80、加圧手段(図示せず)、及び図示の好ましい実施態様においては、少なくとも1つの核形成器66(入口端69と金型キャビティ84のオリフィスを画定している放出端70とを有する核形成用通路67を含む)を含んだ可動壁体成形チャンバー71が概略的に示されている。1つの実施態様においては、可動壁体成形チャンバー71は複数の核形成器66を含む。可動壁体80は、金型にポリマー前駆体と発泡剤との核形成混合物が充填されたときに、金型の体積を増大するように、従って金型内を一定圧力に保持するように調節することができる。
【０１００】
図4においては、金型キャビティ84、温度制御エレメント82、圧力制御器86、シール92、及び図示の好ましい実施態様においては、少なくとも1つの核形成器66(成形チャンバー73のオリフィスを画定している核形成用通路67を含む)を含んだガスカウンター圧力成形チャンバー73が概略的に示されている。前述したように、核形成用通路67は、入口端69とチャンバー84のオリフィスを画定する放出端70とを有する。金型内の圧力は、圧力制御器86により、金型中に導入された核形成混合物中の気泡の成長を抑制もしくは調節するように保持することができる。
【０１０１】
可動壁体金型と、ガス圧力制御器を有する金型と、金型中の温度制御エレメントとのいかなる組合わせも、種々の目的に適うよう使用することができる。前述したように、金型内での核形成混合物における気泡成長を抑制もしくは制御するように条件を調節することができる。温度制御測定(temperature control measurements)のための他の用途は、金型壁体の一部または金型壁体全体を、比較的高いか又は比較的低い温度に保持できるということであり、金型中に形成された物品の中心付近の区域より、壁体の近くの区域(微孔質生成物のスキン区域又はその近くの区域)において比較的大きいか又は比較的小さい気泡成長を引き起こすことができる。
【０１０２】
本発明の1つの実施態様においては、核形成微孔質ポリマー前駆体を金型中に確実に形成させることによって、そして速やかに金型に“亀裂をいれる(cracking)”か又は金型を開放して、閉じた金型自体の内部より大きな部品を形成させることによって、比較的厚い微孔質ポリマー材料(例えば、少なくとも0.500インチの厚さを有する少なくとも一部分を含んだ材料)が成形される。金型に亀裂を入れると、対応する圧力降下によって気泡の成長が起こる。核形成混合物を金型またはエンクロージャーの形状にてある程度固化させてエンクロージャーの形状の第1の微孔質ポリマー物品を形成し、エンクロージャーから取り出し、そしてさらに膨張させて、エンクロージャーの形状より大きな形状を有する第2の微孔質ポリマー物品を形成することができる。幾つかの態様においては、密度と気泡構造を制御するために、金型のクラッキング後に注入または押込を続けてもよい。すなわち、核形成を起こさせつつ溶液を金型中に導入し、これと同時に金型に亀裂を入れ、そしてさらに金型を開放して金型中の背圧を調節し、最終部品のサイズ、気泡密度、および気泡構造を調節することができる。これは、類似の可動壁体金型を使用して達成することができる。
【０１０３】
本発明により、速やかで周期的なポリマーフォームの成形が可能である。注入および成形後の約10分未満の経過に成形チャンバー中に注入することによって第2の核形成混合物を生成させ、エンクロージャーの形状にて発泡および固化させ、そして取り出す。サイクル時間は約1分未満であるのが好ましく、約20秒未満であるのがさらに好ましい。金型中への材料の導入と固化との間の時間は、一般には約10秒未満である。発泡材料の重量減少によってサイクル時間が短くなり(冷却するための質量がより少ない)、また超臨界流体発泡剤の粘度減少によって低い溶融温度が可能になる。溶融温度が低くなると、成形品の取り出し前に必要とされる熱吸収がより少なくなる。
【０１０４】
図5〜7を参照すると、システム31を利用している本発明の他の実施態様が示されている。システム31は、押出機の出口90とアキュムレータの入口91とを連結している発泡剤非含有の導管88を含む。アキュムレータの入口91は、アキュムレータのプランジャー83の表面に配置されている。メカニカル閉止弁99が導管88に沿って、好ましくは出口90の近くに設置されている。押出機出口90は、発泡剤入口54(あるいは図1に示す押出集成体の場合のような複数の発泡剤入口; この場合、該集成体は、図5〜7に記載のシステムにおいて使用される)の上流に、しかしながら液状ポリマー材料94を移送できる押出機中での充分に下流に設置されている。導管88によって移送される液状ポリマー材料94は発泡剤低含量材料であり、発泡剤を本質的に含有していなくてもよい。従って本システムは、本質的に発泡剤を含有しない液状ポリマー材料または低濃度の発泡剤を含有する液状ポリマー材料を、押出機からアキュムレータの第1の入口91に移送するように配置された押出機の第1の出口90、および液状ポリマー材料と発泡剤との混合物(出口90から移送される材料より高い発泡剤濃度を有する、すなわち発泡剤高含量材料)をアキュムレータの第2の入口79に移送するように配置された、押出機のミキシング区域より下流の第2の出口51を含む。アキュムレータは、ポリマー材料の温度を制御するための加熱ユニット96を含んでよい。アキュムレータは、核形成器66の入口69となる出口を含む。核形成用通路67を画定している通路(またはノズル)により、アキュムレータ78が成形チャンバー37に連結されている。
【０１０５】
アキュムレータへの第1と第2の入口に設置されたボール逆止め弁98と85とメカニカル弁64と99とを含んだ一連の弁により、押出機からアキュムレータへの、およびアキュムレータから金型への材料の流れが必要に応じて制御される(この点については、幾つかの実施態様に従って後述する)。
【０１０６】
本発明は、全ての実施態様において、システム全体の圧力を、早すぎる核形成(核形成器の上流にて核形成が望ましくない場合)あるいは早すぎる気泡成長(核形成は起こるが、気泡成長が望ましくないか、又は気泡成長を抑制するのが望ましい場合)を防止できるよう保持できる能力を含む。
【０１０７】
本発明の1つの実施態様による方法は、発泡剤低含量の材料を金型中に注入してほぼ固体状のスキンを形成させる工程; 次いで発泡剤高含量の材料を金型中に注入して発泡コアを形成させる工程; を含む。これについて、図5〜7を参照しつつ説明する。図示していないが、適切に同期化すれば、この方法を使用して発泡した外部と固体状の内部を有する物品を形成することができる。
【０１０８】
図5は、発泡剤を含有していないか又は発泡剤を限定された量だけ含有しているポリマー材料(材料94)が、アキュムレータの遠位端とアキュムレータの近位端の両方に供給されている状況を示している。すなわち発泡剤低含量材料94が、プランジャー83のすぐ上流に、および核形成用通路67のすぐ上流に供給されている。発泡剤低含量材料94のこれら区域の間に、アキュムレータ中に発泡剤高含量材料101の区域がある。この時点で、金型に連結しているメカニカル弁64を開き、プランジャー83を下流方向に駆動してアキュムレータ78中の材料を金型37中に強制的に送り込む。この状態が図6に示されている。発泡剤低含量材料の第1部分が金型のエクステリアに施されて、実質的に固体の外部壁体が形成され、次いで発泡剤高含量材料101が金型の中心部を満たし、金型中に入りながら核形成される。プランジャーの遠位移動限界により、アキュムレータの端部に達しないうちに停止し、プランジャーのすぐ前に配置されていた発泡剤低含量材料の区域が今度はアキュムレータの遠位端に位置し、アキュムレータの核形成用通路を充填する。次いで弁64を閉じて、生成した成形品を金型37から取り出す。メカニカル弁99を閉じた状態で押出機を駆動して、図7に示すようにプランジャーが近位方向に後退するときに、発泡剤高含量材料を好ましくはポリマー材料と発泡剤との核形成されていない単一相溶液としてアキュムレータ中に導入する。プランジャーによってアキュムレータ中の材料に実質的に一定の圧力が加えられ、これにより材料101が核形成されない状態に保持される。プランジャーがそのほぼ近位限界に達すると、メカニカル弁99が開き、発泡剤低含量材料94が、図5に示すようにプランジャーすぐ前のアキュムレータの一部を充填する。図5はサイクルの完了状態を示しており、金型への注入直前の状態である。
【０１０９】
本発明の他の実施態様においては、図5〜7を参照すると、発泡剤低含量材料間にはさまれた発泡剤高含量材料でアキュムレータ78を充填する必要なく、発泡剤低含量の外側壁体と発泡剤高含量の微孔質内側発泡体とを有する射出成形微孔質物品を形成することができる。本実施態様では、発泡剤高含量材料が金型を充填するが、アキュムレータの最も遠位の部分(核形成用通路67により画定されている)がアキュムレータの残部より高温に加熱される。これは、核形成器に隣接して配置された加熱ユニット103を使用して行われる。必要であれば、追加の加熱ユニットを取り付けて、核形成用通路の上流でアキュムレータ中の材料を加熱することができる。アキュムレータの最遠位部分の材料を、アキュムレータ中の装入物を金型中に注入したときに、かなり加熱された部分の発泡剤が、ポリマーから外側へ、そして金型中のベント(図示せず)を介して極めて速やかに拡散するような充分な程度にまで加熱する。最遠位でより高温に加熱された装入物セクションにおいて気泡の成長が起こって、発泡剤がポリマーから外側に拡散するより早く微孔質材料が形成される。加熱される装入物の最遠位部分が、装入物の少なくとも約2%を、少なくとも約5%を、少なくとも約10%を、または少なくとも約20%を画定してよく、また装入物を成形チャンバー中に注入する前に、加熱される装入物の最遠位部分を、装入物の平均温度より少なくとも約10℃高い温度に、少なくとも約20℃高い温度に、少なくとも約40℃高い温度に、または少なくとも約80℃高い温度に加熱することができる。
【０１１０】
本発明の他の実施態様においては、ポリマー材料と発泡剤との単一相均一溶液を、金型中の圧力を核形成を防ぐのに充分な高圧に保持しつつ金型中に注入することができる。すなわち、核形成を起こすことなく注入が行われる。次いで単一相の均一溶液を金型中にて固体状態にし、そして金型を開く。この時点では、核形成と発泡は行われない。次いで、例えばグリセリン浴中に入れることによって成形品を加熱して、核形成と発泡を起こさせることができる。
【０１１１】
本発明に従って種々の物品(例えば、ポリマーカトラリー、自動車部品、および他の種々の射出成形品等の消費財や工業製品)を製造することができる。
図8は、本発明の他の実施態様による射出成形システム100を概略的に示している。射出成形システム100は、第1の上流端104と、成形チャンバー108に連結された第2の下流端106とを有するバレル102を含んだ、図1に示したのと類似であってよい押出機を含む。バレル102内での往復運動と回転運動のためのスクリュー110が、上流端において、駆動モーター(図示せず)にと連動するように取り付けられている。取り入れ口113とバレルのポート115(前記取り入れ口より下流のポート)とを連結しているサイド流れ114は、溶融ポンプ116と順に流体連結されているミキサー118とを含む。溶融ポンプ116は、当業界に公知のギヤポンプまたは小形の押出機であってよい。
【０１１２】
ミキサー118は、発泡剤を導入するための発泡剤注入ポート120を含む。ミキサー118は、当業界に公知のスタティックミキサーまたはキャビティ移送ミキサーであってよい。図8に示す集成体を使用すると、本発明の方法が容易になり、前述のような種々の材料密度を有する微孔質射出成形品を形成するのに有用である。本方法は、押出機バレル102中にポリマー材料の前駆体を導入する工程、ポリマー材料の前駆体を溶融する工程、および溶融したポリマー材料124を押出機100の下流端106のほうに進める工程を含む。溶融ポリマー材料124が押出機バレル102を通って進むときに、一部が方向転換され、溶融ポンプ116によって取り入れ口113を介してサイド流れ114に進められる(例えば、スクリュー110の遠位端がサイド流れ114の取り入れ口の近くに後退した後)。サイド流れ114中の溶融ポリマー材料がミキサー118を通って進むときに、ガス注入ポート120から発泡剤が導入され、そこで充分に混合されて、発泡剤と溶融ポリマー材料との核形成されていない単一相溶液が形成される。この単一相溶液が、ポート115を介してサイド流れ114から押出機バレル102の下流端106に送られる。このとき、往復運動スクリュー110が完全に後退している。これによって、バレルの最遠位端において発泡剤高含量区域122が、そして発泡剤高含量区域の近位に発泡剤低含量区域が造りだされる。発泡剤高含量材料と発泡剤低含量材料の相対量は、材料がサイド流れ114を通る速度によって制御することができ、また発泡剤を導入して高含量にすることによって制御することができる。次いでスクリュー110の往復運動を使用して、核形成されていない発泡剤と溶融ポリマー材料との発泡剤高含量の単一相溶液122を成形チャンバー108に注入し、次いで発泡剤低含量の溶融ポリマー材料124を成形チャンバー108に注入する。
【０１１３】
他の実施態様においては、本発明は、射出成形装置において液状ポリマー前駆体に発泡剤を高速かつ効率的に導入する方法、および実質的にあらゆる構成に従った押出装置を提供する。本実施態様は、発泡剤の供給源と流体連通している押出バレル内に位置決め可能な、表面にオリフィスを有する押出スクリューを含む。このオリフィスが、供給源と連結可能な場所(例えば、スクリューの近位端における場所)から進んでくるルーメンの終点を画定している。好ましい実施態様においては、ルーメンが、スリクューの近位端からスクリューの回転軸に沿って縦方向に進み、スクリューの表面上の1つ以上のオリフィスと連結する。1つ以上のオリフィスは、スクリューフライトの外表面に配置するのが好ましく、あるいはフライトの外表面からわずかにくぼみをつくってもよい。こうした位置決めにより、発泡剤がバレルの内表面に対して剪断/拡散を受けるように発泡剤を導入することが可能となる。1つ以上のオリフィスをフライト間の区域に設置してもよいし、あるいは種々の場所でのオリフィスの組合わせを使用してもよい。図9を参照すると、押出機スクリュー130は、フライト132と、フライト132の外表面138上のオリフィス136との連通をもたらすルーメン134とを含む。ルーメン134の部分140が、スクリューの中心軸でのルーメンからオリフィス136まで進んでいる。スクリュー内のオリフィスを介して発泡剤を導入することの1つの利点は、スクリュー上の注入箇所が極めて適切であるので、往復運動スクリューを使用する集成体において、ポリマー前駆体中での発泡剤レベルの均一性または分布の均一性がもたらされる、という点である。
【０１１４】
上記の本発明の方法は、ガス補助による同時注入においても使用することができる。この方法においては、微孔質材料の前駆体を押し出し、金型中に導入しつつ核形成を行う。このとき同時に、核形成ポリマー材料の外部層と同時注入されたガスで充填された中心部ボイドとを金型中に形成するように、ガスを溶融流れ中に注入する。気泡の成長は、他の実施態様の場合と同様に起こさせることができる。
【０１１５】
ポリマー前駆体と超臨界流体との単一相溶液は粘度がかなり低く、従って金型中に注入して発泡物品として形成させることができるので、0.125インチ未満、好ましくは0.100インチ以下、さらに好ましくは約0.075インチ以下、さらに好ましくは約0.050インチ以下、さらに好ましくは約0.025インチ以下、そしてさらに好ましくは約0.010インチ以下の厚さ又は断面寸法を有する微孔質ポリマー物品または非微孔質ポリマーフォーム物品を射出成形によって製造することができる。例えば、超臨界流体とポリマーとの単一相溶液を金型中に導入し、従来技術の発泡による物品または微孔質物品を製造することができる。金型中に注入される流体の粘度が低いので、10分未満、好ましくは5分未満、さらに好ましくは1分未満、さらに好ましくは30秒未満、さらに好ましくは20秒未満、さらに好ましくは10秒未満、そしてさらに好ましくは5秒未満の射出成形サイクル時間が可能となる。
【０１１６】
本発明はさらに、成形チャンバーの形状を有する微孔質成形ポリマー物品または非微孔質成形ポリマーフォーム物品の製造を提供する。このとき前記物品の少なくとも一部が約0.125インチ以下の断面寸法を有し(他の実施態様では、より小さな寸法を有する)、前記物品が少なくとも約5%のボイド体積を有する。ボイド体積は、好ましくは少なくも約10%であり、さらに好ましくは少なくとも約15%であり、さらに好ましくは少なくとも約20%であり、さらに好ましくは少なくとも約25%であり、そしてさらに好ましくは少なくとも約30%である。他の実施態様においては、物品は少なくとも約50%のボイド体積を有する。このことは、かなり小さな寸法を有する物品において、フォームのボイド体積を増すことによってポリマー材料に重量減少をもたらすことが当業界の目標になっている、という点において大きな改良である。本発明の物品は、約0.125インチ以下またはこれより小さい断面寸法であるセクションにおいて上記のボイド体積を含む。
【０１１７】
本発明はさらに、種々の厚さとボイド体積を有する微孔質成形ポリマー物品または非微孔質成形ポリマーフォーム物品の製造を提供する。
ある1セットの実施態様においては、成形物品は、約0.075〜約0.125インチの断面寸法と少なくとも約10%のボイド体積を有する少なくとも一部分を含む。本実施態様の成形物品は、好ましくは少なくとも約20%の、さらに好ましくは少なくとも約30%の、さらに好ましくは少なくとも約40%の、そしてさらに好ましくは少なくとも約50%のボイド体積を有する。
【０１１８】
他のセットの実施態様においては、成形物品は、約0.125インチ〜約0.150インチの断面寸法と少なくとも約15%のボイド体積を有する少なくとも一部分を含む。本実施態様の成形物品は、好ましくは少なくとも約20%の、さらに好ましくは少なくとも約30%の、さらに好ましくは少なくとも約40%の、そしてさらに好ましくは少なくとも約50%のボイド体積を有する。
【０１１９】
他のセットの実施態様においては、成形物品は、約0.150インチ〜約0.350インチの断面寸法と少なくとも約20%のボイド体積を有する少なくとも一部分を含む。本実施態様の成形物品は、好ましくは少なくとも約30%の、さらに好ましくは少なくとも約40%の、さらに好ましくは少なくとも約50%の、さらに好ましくは少なくとも約60%の、そしてさらに好ましくは少なくとも約70%のボイド体積を有する。このセットの特定の好ましい実施態様においては、成形物品は、約0.150〜約0.250インチの断面寸法を有する少なくとも一部分を含む。
【０１２０】
本発明の方法はさらに、重量を大幅に減少させ、より小さな気泡を含んだ、0.125インチを越える厚さ(例えば、0.200インチ〜約0.500インチ)を有する射出成形品の製造を可能にする。
【０１２１】
本発明はさらに、固体部品が繰返し形成されている表面を有する厚い発泡成形品と薄い発泡成形品とを製造するためのシステムと方法を提供する。これら部品の表面の少なくとも一部は、ヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない。実施例9(下記)に関連した図16〜18は、ヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない表面を有するポリマー部品の形成を示している。このような成形部品は、溶融物の温度、金型温度、および発泡剤の濃度を、部品の表面からの発泡剤の拡散が可能になるように最適化し、これにより気泡を実質的に含まないスキン層を有する表面を形成させることによって製造することができる。このスキン層は実質的に固体ポリマーであり、従って成形部品は、ヒトの肉眼に固体ポリマー部品として見える。ポリマー発泡材料におけるスプレーや渦巻は、金型壁体と接触した状態で引きずられる表面での気泡によって引き起こされる。表面での気泡が温度の制御により取り除かれれば、スプレーや渦巻が避けられる。これらの実施態様においては、発泡材料の平均気泡サイズの少なくとも3倍の厚さを有していて、気泡非含有の実質的に固体ポリマー材料の外側スキンを有する成形部品が製造される。外側スキンの厚さは、発泡材料の平均気泡サイズの少なくとも約5倍であるのが好ましい。目に見えるスプレーや渦巻を含有しない成形部品を本発明に従って製造できる他の理由は、本発明者らによれば、超臨界流体発泡剤の拡散速度が一般的な発泡剤の拡散速度より速く、従って物品の表面での拡散が起こって充実スキン層を形成できる、ということである。
【０１２２】
前述したように、本発明は、成形ポリマーフォーム材料(好ましくは、薄い部分を有する微孔質材料)の製造を提供する。特に、長さ対厚さ比の大きい物品を製造することができる。本発明は、少なくとも約50:1の長さ対厚さ比を有する射出成形ポリマー材料を提供し、このときポリマーが約10未満のメルトインデックスを有する。長さ対厚さ比は、好ましくは少なくとも約75:1であり、さらに好ましくは少なくとも約100:1であり、そしてさらに好ましくは少なくとも約150:1である。他の実施態様においては、少なくとも約120:1の長さ対厚さ比を有する物品が提供され、このときポリマーが約40未満の溶融流量を有する。本実施態様においては、長さ対厚さ比は、好ましくは少なくとも約150:1であり、さらに好ましくは少なくとも約175:1であり、さらに好ましくは少なくとも約200:1であり、そしてさらに好ましくは少なくとも250:1である。長さ対厚さ比は、金型の注入箇所(ノズル)から延びている成形ポリマー部品の一部の長さとその距離にわたっての厚さとの比を表わしている。
【０１２３】
本発明の特徴の特に有利な組合わせの1つは、比較的高いボイド体積での薄い成形部品である。本発明は特に、約1.2mm未満の厚さの部分と少なくとも30%のボイド体積とを有するポリマーフォーム物品を提供する。他の実施態様においては、約0.7mm未満の厚さと少なくとも15%のボイド体積とを有するポリマー物品が提供される。
【０１２４】
他のセットの実施態様においては、一連の成形ポリマー物品が提供される。このセットの実施態様のポリマー物品における気泡総数の少なくとも70%が150ミクロン未満の気泡サイズを有する。気泡総数の少なくとも30%が800ミクロン未満の気泡サイズを有するのが好ましく、500ミクロン未満の気泡サイズを有するのがさらに好ましく、そして200ミクロン未満の気泡サイズを有するのがさらに好ましい。このセットの幾つかの実施態様では、気泡総数の少なくとも80%が、好ましくは少なくとも90%が、さらに好ましくは少なくとも95%が、そしてさらに好ましくは少なくとも99%が150ミクロン未満の気泡サイズを有する。特定の実施態様においては、気泡総数の少なくとも80%が、好ましくは少なくとも90%が、さらに好ましくは少なくとも95%が、そしてさらに好ましくは少なくとも99%が100ミクロン未満の気泡サイズを有する。このセットの実施態様の成形品は、種々のボイド体積を有することができる。例えば、成形品は、少なくとも10%、少なくとも20%、少なくとも30%、少なくとも40%、または少なくとも50%のボイド体積を有することができる。
【０１２５】
好ましい実施態様においては、最大厚さが物品の少なくとも25%を越えて存在するという状態にて、すなわち薄い成形部品の区域の少なくとも約25%が記載の厚さより小さい厚さであるという状態にて、上記のボイド体積で上記の厚さを有する物品が得られる。他の実施態様においては、物品のより多くが記載の最大厚さより小さい厚さであってよい(例えば50%または100%)。
【０１２６】
本発明の他の成形システムが図19と20に示されている。これらの図面の成形システム150は、微孔質ポリマー材料(特に、ポリプロピレンやポリエチレン等の微孔質ポリオレフィン)の射出成形ができるように造られている。システム150は、現行の一般的なポリプロピレンフォームのEPP手順を避けつつ、比較的厚い部品を製造することができる。システム150は、微孔質成形ポリマー材料の前駆体(例えば、図1と2および図5〜7に記載のような、押出機および/またはアキュムレータによって供給できる材料)を受け入れるように組立・配置された入口152を含む。チャネル154により、入口152と成形チャンバー156とが連結されている。チャネル154は、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液を、システムが構築されている速度にて核形成用通路に通したときに、前記溶液中に微孔質核形成を引き起こすに足る圧力降下速度にて圧力降下をつくりだす長さと断面寸法を有する核形成用通路158を含む。成形システムの設計構造とポリマー材料を金型中に導入する速度は、一般には互いに関連作動するように設計されているので、当業者であれば、システムが構築されている速度という言葉の意味が理解できるはずである。具体的に説明すると、核形成用通路は、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液を40ポンド/時間より大きな速度で核形成用通路に通したときに、前記相溶液中に少なくとも約0.3GPa/秒の速度にて圧力降下をつくりだすことのできるような長さと断面寸法を有する。微孔質核形成を起こさせるのに適切な他の流量と圧力降下速度は、本特許出願を読めば明らかである。
【０１２７】
チャネル154は、核形成用通路158と成形チャンバー156との間に、成形チャンバーの方向に断面寸法が増大する気泡成長区域160を含む。チャネル154はさらに、入口152と成形チャンバーとの間に(特に、入口と核形成用通路との間に)分岐部分162を含む。分岐部分162は、下流方向に向かって隙間が減少しながら(高さが増大)幅が増大している。この結果、大幅には変わらない断面積を保持しつつ幅が増大している。具体的に説明すると、分岐部分は、約25%以下、好ましくは約15%以下、そしてさらに好ましくは約10%以下だけ変化する断面積を保持しつつ、幅が少なくとも約100%、好ましくは少なくとも約200%、そしてさらに好ましくは少なくとも約300%増大する。分岐部分162は、材料中に比較的一定の圧力分布を保持しつつ、核形成用通路の流れを成形チャンバー156の幅に等しい寸法に広げながら、入口152を介しての微孔質成形ポリマー前駆体の導入と、前記前駆体の核形成用通路158への移送を可能にする。
【０１２８】
分岐部分162と核形成用通路158との配置構成により、核形成用通路は、好ましくは少なくとも約1.5:1の、さらに好ましくは少なくとも約2.0:1の、さらに好ましくは少なくとも約5.0:1の、さらに好ましくは少なくとも約10:1の、そしてさらに好ましくは少なくとも約20:1の重量対高さ比(図19に示されている寸法と図20に示されている寸法との比)を有することができる。これにより、核形成用通路は、成形チャンバー156の1つの寸法に等しい幅を有することができ、従って幅広で厚い微孔質ポリマー物品を、システム150内にて容易に核形成して成形することができる。さらに、従来の(すなわち非微孔質の)ポリマーフォーム材料もシステム150を使用して射出成形することができる。具体的に説明すると、非発泡のポリマー材料を成形チャンバー156中に注入し、発泡を起こさせ、成形チャンバーの形状と実質的に同一の形状をもたせることができる〔膨張金型(expanded mold)または“亀裂入り(cracked)”金型を使用する場合は、金型より大きくなる〕。こうして得られる物品は、少なくとも2つの垂直交差断面軸において少なくとも1/2インチの断面寸法と、少なくとも約50%のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含む。このシステムを使用すると、60%、70%、および80%というより大きなボイド体積を、少なくとも約0.75インチ、1インチ、または1.5インチというより大きな厚さのいずれとも組合わせることができる。
【０１２９】
システム150の分岐部分162、核形成用通路158、および気泡成長区域160の物理的配置構成によって得られる特定の利点により、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液を成形チャンバー中に大きめの幅寸法にて注入すること、前記溶液を核形成用通路にて急激な圧力降下に付して微孔質核形成を起こさせること、そして実質的にそのすぐ後で、核形成用通路158にて溶液がさらされた圧力降下速度より小さい圧力降下速度にて、材料を制御された圧力降下に付すことによって気泡成長区域160において気泡成長を起こさせて制御することが可能となる。すなわち、核形成ポリマー材料が気泡成長区域160において受ける圧力降下速度が気泡の成長中に低下して、均一で制御された微孔質材料が得られる。
【０１３０】
成形システム150と前述の押出および/または蓄積装置とを組合わせることにより、厚くて幅の広いユニークな成形ポリマー物品(EPPフォームやEPSフォームよりはるかに良好な均一な気泡構造を有する微孔質成形ポリマー物品を含む)の製造が可能となる。前述したように、EPPフォームとEPSフォームの製造においては、成形後のビーズ間の溶融ラインが肉眼で容易に観察できる。これとは対照的に、本発明の成形品は気泡構造中に溶融ラインを含まない。すなわち、本発明の成形品は、平均的気泡壁厚さの約5倍より大きい厚さの反復的な固体境界物(EPP成形品やEPS成形品における溶融ライン)を含まない。本発明の成形品は、平均的気泡壁厚さの約4倍より大きい厚さの反復的な固体境界物を含まないのが好ましく、平均的気泡壁厚さの約3倍より大きい厚さの反復的な固体境界物を含まないのがさらに好ましい。
【０１３１】
システム150はさらに、厚くて幅広のポリマー材料(微孔質ポリマー材料を含む)をEPPやEPSの蒸気箱成形に一般的な温度よりはるかに低い金型温度で製造することを可能にする。特に、発泡ポリマー材料の液状前駆体を、約100℃未満の成形チャンバー温度で成形チャンバー156中に注入することができる。次いで本混合物を成形チャンバー中にてポリマー物品〔好ましくは、3つの垂直交差断面軸のそれぞれにおいて少なくとも1/2インチの断面寸法と、少なくとも約50%(あるいは上記のこれ以上の高い値)のボイド体積とを有する少なくとも一部分を含んだ微孔質ポリマー物品〕として固化させる。この方法においては、金型温度は約75℃未満であるのが好ましく、約50℃未満であるのがさらに好ましく、そして約30℃未満であるのがさらに好ましい。
【０１３２】
本システムはさらに、少なくとも約50%(あるいは上記のこれ以上の高い値)のボイド体積を有する微孔質ポリマー材料を射出成形する上で極めて高速のサイクル時間を可能にする。特に、サイクル時間(非発泡材料を注入し、本混合物を成形チャンバー中にて微孔質ポリマー物品として固化させ、そして前記物品を金型から取り出すまでの時間)は、約1分未満のサイクル時間で行うのが好ましく、約30秒未満のサイクル時間で行うのがさらに好ましく、そして約25秒未満のサイクル時間で行うのがさらに好ましい。
【０１３３】
当業界では公知のことであるが、材料の成形によりスキン-フォーム-スキン構造物を得ることができ、また温度と他の注入条件に基づいてスキン-フォーム-スキン構造を制御してより厚いか又はより薄いスキンを得ることができる。さらに、スキン-フォーム-スキン構造物は、スキンをもたないか又は比較的薄いスキンを有する類似の部品より大きな強度対重量比を有することが知られている。“I-ビーム(I-beam)”処方に基づいて部分的に成形されたスキン-フォーム-スキンにて強度を算出するのが通常のやり方である。しかしながら、発明者らは、スキン-フォーム-スキン成形構造物の強度対重量比に関する予測と計算において気泡サイズを考慮に入れたいかなる従来研究も知らない。
【０１３４】
極めて強度が高くて薄い部品を製造できることが本発明の他の特徴である。特に、スキン-フォーム-スキン構造を保持している、極めて小さな気泡をもった極めて薄いフォーム部品(薄いフォーム部品では従来は不可能であった)を形成できることから、予想外に大きい引張強度対重量比が達成される。本発明は特に、少なくとも約280,000psi/g/cm³の、さらに好ましくは少なくとも約290,000psi/g/cm³の、そしてさらに好ましくは少なくとも約300,000psi/g/cm³の強度対重量比(強度対密度として表わされている)を有する、少なくとも1つの極めて薄いセクションを含んだ成形ポリマー部品を提供する。これら部品の薄いセクションは、約0.250インチ未満の、または0.150インチ未満の、または約0.100インチ未満の厚さを有し、そしてこれらの場合のそれぞれにおいて、上記のようなそれぞれの強度対重量比を有する。
【０１３５】
特定の理論で拘束されるつもりはないけれども、本発明に従って観察される予想外に大きい強度対重量比は、気泡サイズが可能な限り小さくなっていくにつれて、薄いセクション間の気泡壁の数が最大になるためであろうと、本発明者らは考えている。すなわち、比較的大きな気泡を含んだ薄いスキン-フォーム-スキン構造物の断面を見ると、比較的少なめの気泡壁しか存在しておらず、1つの気泡がフォーム構造全体を橋かけしいてる可能性がある。このようなブリッジは、構造物中に極めて弱いリンクをつくりだすであろう。これとは対照的に、本発明の微孔質スキン-フォーム-スキン構造物では、スキンセクション間の構造にわたって存在する気泡の数(従って気泡壁の数)が最大になっており、均一な気泡ポリマーネットワークとスキン構造物間のフォームにおける均一な強度特性とが存在する。従って、本発明の薄い部品においては、その部品全体としての平均強度は、大きめの気泡を有する構造物の平均強度と同等であるかもしれないが、構造全体を橋かけしている気泡もしくはボイドを示している一般には強度の低い箇所がないので、本発明の物品はより強度が高い。
【０１３６】
不透明剤を使用しなくても不透明である物品を製造できるという点も、本発明の他の特徴である。これはポリマーフォームが光を回折させるからであり、従って本質的に不透明であって、白色の概観を有する。本発明の微孔質フォームが従来のフォームより不透明度が高く且つ均質であるという点も、本発明の特徴である。この点は、光線にさらされると劣化を起こす物質を収容するように組立・配置された物品(例えば食品容器)に使用できることから、極めて大きな利点といえる。このような材料は、光線に暴露されると分解しうるビタミン類を含有する、動物(例えばヒト)が消費可能な食品を収容することができる。一般には顔料等の不透明剤が物品に加えられるが、顔料入りの材料は再利用しにくい。本発明は、約1重量%未満(好ましくは約0.05重量%未満)の補助不透明剤を含む薄い不透明物品を、そしてさらに好ましくは補助不透明剤を実質的に含有しない薄い不透明物品を提供する。本発明における“補助不透明剤”とは、顔料、色素、または光を特異的に吸収するように造られた他の化学種、あるいはタルクまたは光を遮断もしくは回折できる他の物質を表わしている。当業者であれば、ある添加剤が不透明剤であるかどうかを試験することができる。本発明の微孔質吹込成形品は、実質的に充実した白色プラスチック物品の外観を有しており、工業的に極めて魅力のある物品である。
【０１３７】
本発明のシステムは、“圧力制限エレメントを有するシステムを含んだ発泡材料の製造法”と題する1999年4月2日付け出願の同時係属中の米国特許出願第09/285,948号(該特許出願を参照により本明細書に含める)に記載のような制限エレメント(restriction element)(図示せず)を含んでよい。制限エレメント(例えば逆止め弁)は、ポリマーと発泡剤との溶液を、注入サイクル全体にわたって最小圧力より上の圧力にて、そして好ましくは、ポリマーと発泡剤との単一相溶液を保持するのに必要な臨界圧力より上の圧力にて押出機中に保持するために、発泡剤注入ポートの上流に設置される。
【０１３８】
本発明のシステムは、加熱されたランナー(図示せず)を含んでよい。本明細書使用する“ランナー”とは、射出システムの出口端(幾つかの実施態様によれば核形成器の出口)と成形チャンバーとを流体連結している、および/または金型キャビティの種々の部分(例えば、複雑な形状の成形品が要求される場合)を流体連結している流体通路を表わしている。当業界においてはランナーは公知である。幾つかの従来のフォーム射出成形システムにおいては、ランナー中に残った材料が硬化し、成形品と一緒に取り出される。本発明は、熱制御ユニットと組合わせたランナー(例えば、加熱流体を流すための通路)を提供する。これは本発明の特定の実施態様に対して有用であり、ランナー内にて材料中に隙間が生じた場合に(例えば、硬化した材料が取り除かれたときに)起こりうる圧力降下をなくすために、ポリマー物品前駆体材料をランナー内にて液状に保持するのに有利である。本発明の集成体は、例えば、ポリマー材料と発泡剤との液状単一相溶液を供給するための押出機、核形成用通路、および前記通路より下流で、前記通路と成形チャンバーとの間のランナーを含んでよい。このとき前記ランナーは、金型を充填しようとするときに開き、そして金型を開いて物品を取り出そうとするときに閉じる弁をその下流端に含む。溶融ポリマー材料を使用し、次いでランナーを加熱すると、ランナー中の核形成材料は液状のままであって金型への注入に適している。温度制御されたランナーを含む本発明の実施態様は、種々の構成成分間にいろいろな数のランナーを含んだ種々の射出成形システムに利用することができる。硬化した材料をランナーから取り除いて廃棄する必要なしに、金型または金型セクションを周期的に充填するのを可能にするために、必要であれば弁を配置する。このランナーは核形成用通路であってもよい。
【０１３９】
本発明のこれらの実施態様と他の実施態様の機能と利点は、下記の実施例を考察すればより理解が深まるであろう。下記の実施例は本発明の利点を例示するためのものであって、本発明の全範囲を表わしているものではない。下記の実施例は、成形チャンバーの内表面に対応した表面を有していて、ヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない物品が形成されるという点において、ポリマー材料と超臨界流体発泡剤との装入物を射出成形することの利点を示している。
【０１４０】
実施例 1
溶融ポリマーを直径40mmのプランジャー中に供給する、32:1 l/d, 40mmの可塑化ユニットを含んだ二段階射出成形機(エンゼル・マニュファクチァ)を組み立てた。バネ式のボール・チェック・ジョイナー集成体によってプランジャーと可塑化ユニットとを連結した。このプランジャーにより、空圧駆動式の一般的な遮断ノズルを介して金型中に射出することができた。超臨界CO₂の射出は、供給セクションから約16〜20直径の場所に、直径0.02インチのオリフィス176個を放射状に配置した1つのポートを設置することによって行った。本射出システムは、発泡剤の質量流量を0.2〜12ポンド/時間の割合で計量すべく作動される制御弁を含んだ。
【０１４１】
プラスチケーターに、従来の一段供給、バリヤー、移送、および計量セクションを含んだ二段階スクリューを取り付け、次いで発泡剤を均一にするための複数フライトのミキシングセクションを取り付けた。バレルに加熱/冷却バンドを取り付けた。こうした設計物により、ポリマーとガスとの単一相溶液の均一化および単一相溶液の冷却が可能となった。
【０１４２】
成形機の全部品を動かすために使用される油圧装置は、全ての時間において1000psi以上で28,000psi以下の溶融加圧圧力を有するように変更を加えた。このような方法により、金型への射出前においてはいつでも、ポリマーとガスとの単一相溶液が制御・保持される。
【０１４３】
実施例 2: 微孔質射出成形ポリスチレン
実施例1に記載の成形機を使用して微孔質のポリスチレンプラークを成形した。ポリスチレンペレット〔ノバコール(Novacor)2282, 11 M.I.)〕をプラスチケーター中に供給し、ほとんどの場合において発泡剤と混合して単一相溶液を形成させ、次いで5×11×0.050インチのセンター・ゲート付きプラーク金型中に射出することにより核形成させた。射出は低温のスプルーを介して行った。射出速度を変えて、プロセス変数と気泡サイズと重量減少との関係を調べた。気泡サイズは30ミクロン未満に、そして重量減少は20%以下に制御した。表1と2および対応する図10〜15を参照のこと。
【０１４４】
【表１】

【０１４５】
【表２】

【０１４６】
実施例 3: 微孔質射出成形ポリエチレンテレフタレート
実施例1に記載の射出成形機を使用し、5×11×0.200インチのキャビティ中に射出して350°Fで4時間乾燥することによってPET(イーストマン、0.95 IV)を成形した。溶融プロセシング温度は550°Fであり、金型温度は151°Fであり、12%CO₂を混合して射出した。溶融加圧圧力を3000psiに保持し、射出速度は5.0インチ/秒であった。
【０１４７】
重量減少は30%であり、気泡サイズは直径30〜40ミクロンであった。
実施例 4: 高レベルの重量減少に従った射出成形ポリプロピレン
実施例1に記載の射出成形機を使用して、ポリプロピレン〔4溶融流量(MFR)、コポリマー、モンテル(Montell)7523〕、ポリプロピレン(20MFR、コポリマー、モンテルSD-376)、およびタルク充填ポリプロピレン(4MFR、40%タルク充填、モンテル65f4-4)の5×11×可変厚さ(インチ)のプラークを成形した。下記の条件を使用することによって大きな重量減少が達成された。
【０１４８】
【表３】

【０１４９】
実施例 5: 密度の減少が 70% 以上である射出成形ポリスチレン部品
実施例1に記載の射出成形機を使用し、実施例2の場合と類似の条件にてポリスチレンを成形した。但し、金型温度を150〜250°Fの範囲で、そして冷却時間を3.2秒〜22.8秒の範囲で変えた。下記のように大きな密度減少が見られた。
【０１５０】
【表４】

【０１５１】
実施例 6: 固化ポリマー / 超臨界流体成形品の成形後核形成と気泡成長
実施例1に記載の射出成形機を使用してポリスチレン(ノバコール2282、11 M.I.)を成形した。ポリスチレンペレットをプラスチケーターに供給し、実施例2に記載のように射出した。金型中に射出した材料を、ポリスチレンの固化温度未満の温度に冷却した。金型を開き、成形品を非発泡状態にて取り出した。次いでこの成形品を外部熱源(グリセリン浴)にさらすと発泡が起こった。微孔質物品が得られた。
【０１５２】
実施例 7: ポリマー成形における粘度低下の実証
本実施例は、超臨界流体発泡剤を使用して、微孔質発泡の有利性を保持しつつ、ポリマー材料の金型中への導入に際して比較的低い溶融温度にて粘度を低下させることの利点を示す。
【０１５３】
成形機を使用して、下記の点を除いて実施例2に記載のようにポリスチレンを成形した。金型の寸法は5×11×0.020インチであった。実施例2と同じ条件にて、発泡剤を使用せずにポリスチレンを射出した。観察可能な最大流れ長さ(maximum flow length)は1インチであり、長さ対厚さ比は50であった。15%の超臨界二酸化炭素発泡剤を使用して同じ実験を行った。最大流れ長さは少なくとも5.5インチであり、長さ対厚さ比は270であった。
【０１５４】
実施例 8: 結晶融点未満でのポリプロピレンの射出成形
実施例1に記載の射出成形機を使用して、5×11×0.050インチの金型中にポリプロピレンを成形した。発泡剤を使用しない場合、このような金型を充填するのに必要とされる最低限の溶融温度は430°Fであった。15%の超臨界二酸化炭素発泡剤を使用すると、ポリプロピレンをその結晶融点未満(通常は325°F)にて射出することができた。実際の溶融温度は310°Fであった。
【０１５５】
実施例 9: ほぼ完全な表面を有する微孔質発泡物品の実証
実施例2に記載の成形機を使用してポリスチレン(ノバコール2282, 11 M.I.)を成形した。プラスチケーターにポリスチレンペレットを供給し、CO₂発泡剤と混合して超臨界CO₂とポリスチレンとの単一相溶液を形成させ、次いで5×11×0.050インチプラーク金型中に射出することによって核形成させた。適切な条件が確実に得られるようにプロセシング条件を最適化して、高い核形成密度、およびスプレーを含まない外部固体スキン(a solid, splay-free looking skin)を得た。この方法の有効性を実証するために、顕微鏡写真のコピーが図16〜18として与えられている。図16は比較のために与えられており、標準的な非発泡射出成形法を使用して射出成形した固体非発泡ポリスチレンを示している。
【０１５６】
図17は、ヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない平滑な表面を有する、本発明の微孔質射出成形物品における表面の顕微鏡写真のコピーである。
図18は、ヒトの肉眼に見える渦巻を含んだ、射出成形ポリマーフォーム物品の表面の顕微鏡写真のコピーである。
【０１５７】
これまでの説明からわかるように、理想的な条件は、溶融温度、金型温度、および発泡剤濃度をバランスさせた条件である。溶融温度は、溶融液中での発泡剤拡散速度が比較的速くなる程度に充分高くなければならず、また金型温度は、溶融液から外への発泡剤拡散が表面にて相当程度起こるほどに充分高くなければならないが、金型温度は、物品の反りや他の歪みを生じない程度に充分低くなければならない。発泡剤の拡散速度は、溶融温度、発泡剤濃度、差圧、および金型温度に依存する。溶融液から外への発泡剤の拡散速度は、ポリマーの表面が冷却して固化する速度より大きくなければならない。
【０１５８】
【表５】

【０１５９】
実施例 10
実施例1に記載の射出成形システムを使用してポリプロピレン〔モンテル(Montell)6823, モンテル6523, および6823とダウのメタロセン触媒ポリエチレとのブレンド〕を1.25×4×0.600(深さ)のキャビティ中に成形した。図19と20に示す成形システムを使用した。溶融温度とガスのパーセントを変えて、1〜50ミクロンの範囲の気泡サイズを有する種々の密度の成形品を得た。得られた成形品の密度は1.8〜20ポンド/ft³(PCF)であった。必要であれば、より高い密度の成形品も容易に造ることができる。さらに、亀裂成形法(method of crack molding)によって同じ密度と気泡構造を造ることができ、この方法によれば、溶融ポリマーをある程度開放した金型中に射出し、次いで完全に亀裂の入った開放金型中に射出する。均一な気泡構造を有する低密度PPおよびPEとPPとの低密度ブレンド品が得られた。パラメーターに関しては表6を参照。
【０１６０】
【表６】

【０１６１】
当業者には容易にわかることであるが、ここに記載のパメーターはいずれも代表的なものであって、実際のパラメーターは本発明の方法と装置が使用される特定の用途に依存する。従って、理解しておかなければならないことは、上記の実施態様は実施例としてのみ与えられているということ、そして特許請求の範囲およびその等価物の範囲を逸脱することなく、本明細書に明記したのとは別の方法で本発明を実施できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図1は、成形チャンバーのオリフィスを画定している核形成用通路を有する押出システムを含んだ、本発明の微孔質射出成形システムもしくは微孔質押込成形システムを示している。図1Aは、図1のシステムにおける、好ましい複数孔発泡剤供給オリフィス集成体と押出スクリューを示している。
【図２】 図2は、アキュムレータを含む本発明の微孔質射出成形システムを示している。
【図３】 図3は、可動壁体を含む本発明の成形システムにおける成形チャンバーの1つの実施態様を示している。
【図４】 図4は、成形チャンバーがガス加圧された金型である場合の、成形チャンバーの他の実施態様を示している。
【図５】 図5は、固体壁と微孔質内部(発泡剤高含量区域と発泡剤低含量区域)を有する物品を形成する上での、微孔質材料の蓄積と射出成形のためのシステム操作の1つの段階を示している。この場合、注入の前にアキュムレータを充填しておく。
【図６】 図6は、注入直後の操作段階における図5のシステムを示している。
【図７】 図7は、1回注入サイクル後での、アキュムレータの充填中の操作段階における図5のシステムを示している。
【図８】 図8は、溶融ポリマーの発泡剤高含量区域と発泡剤低含量区域を形成させるための、溶融ポンプ、ガス注入ポート、およびミキサーを含んだ微孔質射出成形システムを示している。
【図９】 図9は、スクリューフライトを通過し、発泡剤の供給源と流体連通している、発泡剤を押出機のバレル中で分配するためのルーメンを含んだ、射出成形システムまたは他の押出システムに使用するためのヘリカルスクリューを示している。
【図１０】 図10は、本発明のシステムと方法を使用して形成された射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１１】 図11は、本発明による微孔質射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１２】 図12は、本発明による他の微孔質射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１３】 図13は、本発明による他の微孔質射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１４】 図14は、本発明による他の微孔質射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１５】 図15は、本発明による他の微孔質射出成形品の顕微鏡写真のコピーである。
【図１６】 図16は、従来技術の非発泡固体射出成形品の表面の顕微鏡写真のコピーである(比較用)。
【図１７】 図17は、ヒトの肉眼で見えるスプレーや渦巻を含まない平滑な表面を有する、本発明による微孔質射出成形品の表面の顕微鏡写真のコピーである。
【図１８】 図18は、ヒトの肉眼で見える渦巻を含んだ、射出成形ポリマーフォーム物品の表面の顕微鏡写真のコピーである。
【図１９】 図19は、本発明の他の実施態様による成形システムの平面図である。
【図２０】 図20は、図19のライン20-20に沿って切り取った場合の側面断面図である。

Claims (9)

1. ポリマー物品前駆体を受け取るように造られた上流端での入口と下流端での出口とを有するバレル、ここで、前記バレルは、発泡剤を発泡剤供給源からバレル中の前記前駆体中に導入して、前駆体物質と発泡剤との混合物をバレル中にて形成させるための、発泡剤供給源と流体連結可能な発泡剤ポートを上流端と下流端との間に含む;
   発泡剤供給源に連結された入口とバレルに連結された出口とを有する計量装置、ここで、前記計量装置は、前記バレル内のスクリューの軸方向の位置の関数として、発泡剤の質量流量を計量する;および
   バレルからの前駆体物質と発泡剤との混合物を受け入れるための、バレルの出口と流体連通している入口を有する成形チャンバー;
   を含む装置。
2. 下流方向に流れているポリマー物品前駆体の流れを押出装置のバレル中に送り込む工程、ここで、前記押出装置は、バレル内で回転運動及び往復運動するスクリューを含み;
   発泡剤の質量流量を前記バレル内のスクリューの軸方向の位置の関数として計量された速度にて前記流れ中に導入して、流体ポリマー物品前駆体と発泡剤との混合物を形成させる工程; および
   流体ポリマー物品前駆体の混合物を、バレルに流体連結された成形チャンバー中に注入する工程;
   を含む、ポリマーフォーム物品を形成する方法。
3. 流体ポリマー物品前駆体と発泡剤との混合物が単一相溶液を構成する、請求項２記載の方法。
4. 発泡剤の質量流量が、前駆体物質と発泡剤との混合物の重量を基準として約1%〜25%である、請求項２記載の方法。
5. 発泡剤の質量流量が0.04ポンド/時間〜70ポンド/時間である、請求項２記載の方法。
6. 発泡剤の質量流量が0.2ポンド/時間〜12ポンド/時間である、請求項２記載の方法。
7. 発泡剤の質量流量を±0.3%以内に制御することができる、請求項２記載の方法。
8. 発泡剤が二酸化炭素を含む、請求項２記載の方法。
9. 発泡剤が窒素を含む、請求項２記載の方法。

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