JP6864444B2 - ポリマーフィルムのような材料の連続的な浸透方法及びシステム - Google Patents

Description

プラスチックの飽和状態は、典型的には、そのプラスチックがガスの一部を吸収することができる時間だけそのプラスチックを高圧ガス環境内（圧力容器内）に維持することで達成される。ここで開示されているシステムと方法はプラスチックの連続的なガスの浸透を可能にする。例えば、ポリマーあるいはポリマー材料でよいプラスチックの連続的なガス浸透は、圧力容器の各端部（注入口と排出口）に複数の動的な封止体を直列配置することで可能である。プラスチックポリマー材料はシール（封止）システムを通過して圧力容器に入り、シールシステムを通過してガスが満たされた圧力容器から排出される。

固体状態の微小孔質化プロセスは２段階バッチプロセスが関与する広く知られている技術である。第１（吸収）段階において、固体ポリマーが、ポリマーマトリックス全体に所望のガス濃度レベルが達成されるまで、圧力容器内で高圧不活性ガス（例：二酸化炭素）によって浸透（飽和）される。ガス/ポリマー混合物が圧力容器から周囲環境内に取り出される（ガス放散）と、ポリマー内へのガスの過剰拡散によって熱力学的に不安定な過飽和試料が得られる。第２（発泡）段階においては、そのガス/ポリマー混合物は、微小孔気泡の核形成および成長を促すために、そのガス/ポリマー混合物のガラス転移温度（Ｔｇ）に近い温度の高温水槽内または他の加熱媒質（その非限定例は、高温空気、蒸気、赤外線、等々）内で加熱される。

ポリマー内に表面から均等にガスを浸透させるため、ポリマーロールの飽和（ガス浸透）には差し込み層をポリマーの層間に配置することを必要とする。この差し込み層の追加はプロセスステップの追加を招き、差し込み物の除去にはさらに別なプロセスステップが必要になる。

圧力容器の繰り返される開閉は多量の高圧ガスを無駄にし、さらにプラスチック処理の操業の一時停止をもたらす。圧力容器から取り出されるロールは直ちにガスを失い始める。ガスはまずロールの外側から大気内に拡散し、最後にロールの内部から拡散される。よってロール全体、特にガスを急速に失うポリマー内に安定した発泡現象を達成するのは困難であろう。

米国特許５１５８９８６は、ガス浸透チャンバから成型チャンバに、押し出された熱可塑材料をローラの時間制御されたシステムを通じて送る方法を開示する。動的な封止体がそれらチャンバ間に配置され、それぞれのチャンバの環境条件を保持しながら熱可塑シートの通過を許容する。

しかしながら今日まで、この特許に記載されている技術の実施のために必要とされる圧力で運用できる動的な封止体を製造する技術は存在しなかった。

１形態においては、本開示発明の説明のための実施態様は、圧力容器内でポリマー材料を加圧ガスにより物体内に浸透させる方法に関する。この方法は、圧力チャンバへの注入口の第１セットのカスケード状の封止体を通過させて固体ポリマー材料を連続的に送り込み、飽和（ガス浸透）した固体ポリマー材料を形成するために、加圧された不活性ガスに圧力容器を通過する固体ポリマー材料を曝露し、飽和（ガス浸透）した固体ポリマー材料を圧力容器の排出口の第２セットのカスケード状の封止体に連続的に通過させることを含んでいる。

別な形態では、本開示発明による説明的実施態様は、固体ポリマー材料にガスを浸透させるシステムに関する。このシステムは、内部を固定（形成）しており、その内部と通流可能に結合する注入口と排出口を有する圧力容器を含んでいる。この圧力容器はさらに加圧ガスを内部に供給するように内部と通流結合するポンプと、注入口を気密に封止する第１セットのカスケード状の封止体と、排出口を気密封止する第２のセットのカスケード状の封止体とを含んでいる。

本開示発明の一実施例による図２のポリマー内浸透システムに含まれることができる直列配置された動的な封止体の概略図である。 本開示発明の１実施例によるポリマー内浸透システムの概略図である。

図２は、カスケード状（連続した状態）の封止体（cascading seal）２０Ａ、２０Ｂを採用したポリマー内浸透システム１０を示す概略図である。ポリマーまたはポリマー材料１２がシステム１０に入れられる。さらに特定するなら矢印１４で示される端部から（図面の左側から）圧力容器２２の内部２４に入れられ、矢印１６で示される他方の端部からガス浸透された（ガスで飽和した）ポリマー材料１２Ｂとして排出される。システム１０の各部位の圧力は圧力管理システム１８によって維持できる。この圧力管理システム１８は、非限定的例として、（余剰ガスが排気されながら）高圧ガスをこのシステムに加える外部ガス源であっても、システム１０の１以上の部位を加圧および減圧する常用ポンプシステムであってもよい。

図１は、連続して配置（又は、直列に配置）された動的な封止体２０Ａ（カスケード状の封止体）と、圧力容器２２の内部２４の総圧力の一部としての各シール２０Ａに印加される（各シール間の）圧力差（差圧）の概略図を示す。ポリマー材料１２は連続して配置の動的な封止体（dynamic seals）２０Ａに（矢印１４で示すように図の左側から）入れられ、続いて動的な封止体から圧力容器２２の内部２４に入れられる。圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４は、それぞれＰ_周囲圧（周囲の圧力）とＰ_{最大圧（ｍａｘ）}の間の層の差圧の一部であり、圧力管理システム１８（図２）によって、それらの要求される圧力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４にそれぞれ維持されるが、非限定例においては、ポンプの外部システムであるか、あるいは他の高圧ガス源でよい。例えば、５００ｐｓｉｇを含んだ圧力容器２２においては、それぞれのシール２０Ａは１００ｐｓｉの圧力差を維持するように使用できる。例えば、Ｐ１は１００ｐｓｉであり、Ｐ２は２００ｐｓｉであり、Ｐ３は３００ｐｓｉであり、Ｐ４は４００ｐｓｉであり、Ｐ_ｍａｘは５００ｐｓｉでよい。他の実施態様では、連続した配置の動的な封止体２０Ａに含まれるシール２０Ａの総数は５つ以下又は以上でよい。さらに、それぞれのシール２０Ａに印加される（またがる）圧力差は等しくなくてもよい。例えば、環境内に逃避するガスの量を減少させるために、Ｐ１を低レベル、例えば５ｐｓｉに維持し、Ｐ２をさらに高いレベル、例えば５０ｐｓｉに維持することが望ましいであろう。必要なシール２０Ａの総数も、それぞれのシール２０Ａに許容される最大圧力差によって決定できる。シール２０Ｂ（図２）の類似したシステムを排出口端部に使用することができる。

非限定例ではポリマーシート（シート状のポリマー材料）、ポリマーロッド（棒状のポリマー材料）、ポリマーファイバ（繊維状のポリマー材料）あるいは任意の連続的な熱可塑性部分を含むことができるポリマー材料１２の連続処理の方法は、ポリマー材料１２が圧力容器２２の内部２４を移動しているときに、圧力容器２２の内部２４で相当程度の圧力を維持するためにカスケード状の封止体２０Ａ、２０Ｂを各端部に有した圧力容器２２を使用することを含んでいる。プラスチック材料を高圧環境内に送り込む/排出させるカスケード状の封止体２０Ａ、２０Ｂは、圧力容器２２の内部２４の総圧力（Ｐ_ｍａｘ）のほんの一部である圧力差でそれぞれ作動する連続して配置された動的な封止体（圧力を調節可能な封止体）２０Ａ，２０Ｂを含んでいる。ガス浸透システム１０は、プラスチックポリマー材料１２のロールの後方に、あるいは押出し機の後方に連続して配置することができ、そのプラスチックポリマー材料は図２の概略図に従ってガス浸透システム１０によって取り込まれる。ガス浸透システム１０は、任意のプラスチックポリマー材料処理装置あるいは処理機械の前方に配置することもできる。処理機械の非限定例には、空気オーブン、熱成型装置、およびガス浸透された（ガスで飽和した）ポリマー材料１２を処理または保管するのに使用できる材料取り込み機が含まれる。

ここで前述していないことに言及すれば、様々な実施態様の異なる特徴および構造が、所望形態に合わせて互いに組み合わせて使用できる。１つの特徴が実施態様の全てにおいて必ずしも言及されてないということは、そのようなことができないと理解されるべきではなく、証明の簡潔性のために省略されているのである。よって、新しい実施態様が明言的に証明されていてもいなくても、異なる実施態様の様々な特徴が、それら新しい実施態様を実現するために臨むように混成および組み合わせることができる。

本開示発明をその一部の特定の実施態様に関連付けて説明してきたが、そのことは本開示発明の説明のためであって、その限定のためではないことは理解されるべきである。合理的な変形および改良が「請求の範囲」で定義されている本開示発明の精神から逸脱せずに前述の開示内容および図面の範囲内で可能である。

Claims (20)

1. 圧力容器内にて加圧ガスをポリマー材料に浸透させる方法であって、
   前記圧力チャンバの注入口の第１セットのカスケード状の封止体を通過させて固体ポリマー材料を連続的に送り込むステップであって、前記第１セットのカスケード状の封止体は、シール間の空間を画定しており、前記第１セットのカスケード状の封止体の各シールにおいて、圧力が連続的に増加又は減少する、ステップと、
   飽和した固体ポリマー材料を形成するために、前記圧力容器を通過する前記固体ポリマー材料を加圧不活性ガスに曝露するステップと、
   前記圧力チャンバの排出口の第２セットのカスケード状の封止体を通過させて前記飽和した固体ポリマー材料を連続的に送り出すステップであって、前記第２セットのカスケード状の封止体は、シール間の空間を画定しており、前記第２セットのカスケード状の封止体の各シールにおいて、圧力が連続的に増加又は減少する、ステップと、を含んでいることを特徴とする方法。
2. 前記固体ポリマー材料は少なくとも一つのシート、ロッドまたはファイバを含んでいる、請求項１記載の方法。
3. 前記固体ポリマー材料はシートを含んでいる、請求項２記載の方法。
4. 前記第１セットのカスケード状の封止体を通過させて前記固体ポリマー材料を送り込むステップは、該第１セットのカスケード状の封止体内の各シールの圧力を連続的に増加させることを含んでいる、請求項１記載の方法。
5. 前記第２セットのカスケード状の封止体を通過させて前記固体ポリマー材料を送り出すステップは、該第２セットのカスケード状の封止体内の各シールの圧力を連続的に減少させることを含んでいる、請求項４記載の方法。
6. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方内の各シールに印加される圧力差は等しい、請求項１記載の方法。
7. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方内の各シールに印加される圧力差は等しくはない、請求項１記載の方法。
8. 前記加圧不活性ガスは二酸化炭素である、請求項１記載の方法。
9. 前記加圧ガスは５００ｐｓｉｇである、請求項１記載の方法。
10. 前記固体ポリマー材料は、前記注入口に送り込まれるときにロールから供給されるか、または前記排出口から送り出された後にロールに巻き取られるかの少なくとも一方である、請求項１記載の方法。
11. 固体ポリマー材料にガスを浸透させるシステムであって、
    内部を画定し、該内部に通流可能に結合する注入口と排出口とを有している圧力容器と、
    前記内部に通流可能に結合されており、該内部に加圧ガスを供給するポンプと、
    前記注入口を気密に封止する第１セットのカスケード状の封止体と、
    前記排出口を気密に封止する第２セットのカスケード状の封止体と、
    を含んでおり、
    前記第１セットのカスケード状の封止体は、シール間の空間を画定しており、前記第１セットのカスケード状の封止体の各シールにおいて、圧力が連続的に増加又は減少し、
    前記第２セットのカスケード状の封止体は、シール間の空間を画定しており、前記第２セットのカスケード状の封止体の各シールにおいて、圧力が連続的に増加又は減少することを特徴とするシステム。
12. 前記注入口の供給ロールおよび前記排出口の巻き取りロールの少なくとも一方を含んでいる、請求項１１記載のシステム。
13. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の
    少なくとも一方は、一連の複数の動的な封止体を含んでいる、請求項１１記載のシステム。
14. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方の各シールは、同じ圧力差を維持している、請求項１１記載のシステム。
15. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方の各シールは、異なる圧力差を維持している、請求項１１記載のシステム。
16. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方は、前記内部に５００ｐｓｉｇの圧力を維持している、請求項１１記載のシステム。
17. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体は同じである、請求項１１記載のシステム。
18. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方のシールの間に画定された各空間において、圧力は個別に維持される、請求項１１記載のシステム。
19. オーブン、熱成型装置および取り込み機のうちの少なくとも一つをさらに含んでいる、請求項１１記載のシステム。
20. 前記第１セットのカスケード状の封止体または前記第２セットのカスケード状の封止体の少なくとも一方内の各シールの数は、それぞれのシールに許容される最大圧力差によって決定される、請求項１１記載のシステム。

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