KR100572943B1 - 사출 성형된 미세 기포형 저밀도 폴리머 물질을 포함하는성형된 폴리머 물질 - Google Patents

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Abstract

미세 기포형 물품 뿐만 아니라 미세 기포형 발포 물질을 제조하는데 유용한 사출 성형 시스템 및 방법을 제공한다. 어떤 실시태양에서는, 압력 감소 속도 및 전단 속도가 중요한 특징이고, 본 발명은 사출 성형 시스템에서 이들 변수를 조절하기 위한 시스템을 제공한다. 다른 측면은 가압 주형의 상류에 존재하는 핵화기를 포함하는 사출 성형 시스템을 포함한다. 다른 측면은 비핵화된 발포제 및 폴리머 물질의 단일상 용액을 형성하기 위해 왕복운동하는 스크류를 가진 압출 시스템을 포함한다. 다른 측면은 매우 얇은 벽을 갖는 미세포성 물질 및 매우 얇은 벽을 갖는 폴리머 물질을 포함한다. 다른 측면은 비발포 부품과 주목할 만한 차이가 없는 표면을 가진 매우 얇은 벽을 갖는 부품에서 높은 중량 감소를 생성하기 위한 방법을 제공한다.
미세 기포형 물품, 사출 성형 시스템

Description

사출 성형된 미세 기포형 저밀도 폴리머 물질을 포함하는 성형된 폴리머 물질{Molded Polymeric Material Including Microcellular, Injection-Molded, and low-Density Polymeric Material}
본 발명은 일반적으로 폴리머 구조 발포 공정, 및 더 구체적으로 미세 기포형 구조 발포체 및 그의 제조를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
구조적으로 발포된 물질은 공지되어 있으며, 물리적 발포제를 용융된 폴리머 스트림에 주입하고, 발포제를 폴리머에 분산시켜 폴리머 중 발포제 기포의 2 상(two-phase) 혼합물을 형성하고, 혼합물을 목적하는 모양을 가진 주형에 사출하고, 거기에서 혼합물을 응고함으로써 제조할 수 있다.
혼합물에서의 압력 감소는 폴리머에 있는 기포를 성장하게 할 수 있다. 물리적 발포제에 대한 대체물로서, 폴리머 물질에서 화학반응을 하여 기체를 발생시키는 화학적 발포제를 사용할 수 있다. 화학적 발포제는 일반적으로 임계 온도에서 분해하고, 질소, 이산화탄소, 또는 일산화탄소와 같은 기체를 방출하는 저분자량의 유기 화합물이다. 어떤 조건 하에서, 기포들은 격리된 상태로 유지될 수 있고, 독립 기포 발포 물질을 생성한다. 기타 전형적으로 더 격렬한 발포 조건 하에서, 기포는 파괴되거나 서로 연결되어, 연속 기포 발포 물질을 생성한다. 특허 문 헌에 기재된 표준 사출 성형 기술의 예는 다음과 같다:
미국 특허 제3,436,446호(엥겔)은 주형의 압력 및 온도를 조절함으로써 솔리드 표피를 가진 발포 플라스틱 물품을 성형하기 위한 방법 및 장치를 기재하고 있다.
미국 특허 제4,479,914호(봄룩커)는 발포제가 공동으로 사출된 물질로부터 미리 확산하는 것을 방지하기 위해 주형 공동을 기체로 가압하는 발포 물품 형성법을 기재하고 있다. 발포시킬 물질을 사출하는 동안, 사전 가압 (pre-pressurization) 기체를 진공실로 최종적으로 배출시켜서 주형 공동을 통하여 물질을 끌어들이는 진공을 생성한다.
특히 저밀도(높은 공극 부피)의 성형된 폴리머 발포 물질은 팽창된 폴리프로필렌(EPP) 및 팽창된 폴리스티렌(EPS)를 포함한다. EPP 또는 EPS에 대한 전구체를 각각 미리 부분적으로 또는 완전히 발포된 폴리프로필렌 또는 폴리스티렌의 비드로서 제공할 수 있다. 이러한 비드는 전형적으로 스팀 체스트 (steam chest) 주형으로 사출되고 서로 융합하여 비드로부터 구조 발포 생성물을 형성한다. 어떤 경우에서는, 스팀 체스트 내에서 비드가 추가로 팽창하고 발포한다(전형적으로 EPS의 경우). EPS 및 EPP가 많은 적용분야에 대해 유용한 생성물인 반면, 이들은 이상적이지 못한 외양을 가질 수 있다. 스티렌 발포 컵 및 기타 EPS 또는 EPP 생성물과 같은 생성물에서 육안으로 비드 사이의 융합 선을 쉽게 관찰할 수 있다.
전형적으로 미세 기포형 물질은 매우 작은 기포 크기를 갖는 폴리머 발포체를 의미하고, 다양한 미세 기포형 물질은 미국 특허 제5,158,986호 및 제4,473,665 호에 기재되어 있다. 이 특허들은 폴리머 물질 및 물리적 발포제의 단일상 용액을 매우 높은 밀도의 핵화 자리를 생성하기 위해 요구되는 열동력학적 불안정 상태를 경험하게 한 다음, 기포 성장을 조절함으로써 미세 기포형 물질을 제조하는 것을 기재하고 있다. 미국 특허 제4,473,665호(마티니-베덴스키)는 미세 기포형 부품을 제조하기 위한 성형 시스템 및 방법을 기재하고 있다. 폴리머 펠렛을 기체상 발포제로 사전 가압하고 통상의 압출기에서 용융시켜서 발포제 및 용융된 폴리머의 용액을 형성한 다음, 가압된 주형 공동으로 압출한다. 주형에서 압력은 주어진 초기 포화에 대한 용융 온도에서 기체상 발포제의 용해 압력 이상으로 유지한다. 성형된 부품 온도가 적당한 임계 핵화 온도로 떨어질 때, 주형의 압력은 전형적으로 대기압으로 떨어지고, 부품은 발포된다.
미국 특허 제5,158,986호(챠 등)은 미세 기포형 부품을 제조하기 위한 대체 성형 시스템 및 방법을 기재하고 있다. 폴리머 펠렛을 통상의 압출기로 도입하고 용융시킨다. 압출 배럴에서 초임계 상태의 이산화탄소 발포제를 확립하고, 혼합하여 발포제 및 폴리머 물질의 균질한 용액을 형성한다. 혼합물이 배럴을 통하여 흐를 때, 열동력학적 불안정 상태를 형성하도록 압출 배럴의 일부를 가열함으로써 용융된 폴리머 물질에서 핵화 자리를 생성한다. 핵화된 물질을 가압 주형 공동으로 압출한다. 주형 내 압력은 공기의 반대 압력에 의해 유지된다. 주형 공동이 팽창하고 주형내 압력이 급격히 감소할 때, 주형 공동내에서 기포 성장이 일어난다. 주형의 팽창은 작은 기포 크기 및 높은 기포 밀도를 갖는 성형 발포 물품을 제공한다. 핵화 및 기포 성장은 기술에 따라서 별개로 일어난다; 열적으로 유도된 핵화 는 압출기 배럴에서 일어나고, 기포 성장은 주형에서 일어난다.
상기 및 기타 문헌들이 미세 기포형 물질의 제조 및 사출 성형에 의한 물질의 제조와 관련된 여러 기술을 나타냄에도 불구하고, 당업계에는 개선된 미세 기포형 사출 성형 공정에 대한 필요성이 존재한다.
그러므로, 본 발명의 목적은 미세 기포형 구조 발포체 및 특히 매우 얇은 물품을 제조하는데 유효한 사출 성형 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은 미세 기포형 구조 발포체의 사출 성형 뿐만 아니라 통상적인 발포체의 사출 성형 및 미세 기포형 또는 통상적인 발포체의 연속 압출에도 유용한 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
<발명의 개요>
본 발명은 성형 물품을 형성할 수 있는 사출 성형 시스템 및 방법, 및 다양한 발포 물질을 형성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본원 명세서에서 기재한 발명의 각 다양한 측면에 있어서, 한 조의 실시태양에서 물질은 기포 크기 및 밀도에 의해 정의된 미세 기포형 발포 물질이 아니고, 다른 한조의 실시태양에서 물질은 미세 기포형 물질이다.
한 측면에 따르면, 본 발명은 미세 기포형 구조 발포 물품을 제조하기 위한 사출 성형 시스템을 포함한다. 시스템은 미세 기포형 물질의 전구체를 수용하도록 설계된 입구를 말단에 가진 압출기, 성형실, 및 입구와 성형실을 연결하는 둘러싸인 통행로를 포함한다. 성형실은 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 균질한 유동 성 단일상 용액을 수용하고, 통행로내에 승압에서 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 균질한 유동성 단일상 용액을 유동 상태로 함유하고, 통행로 내에서 유동성 스트림으로서의 용액을 입구 말단으로부터 성형실쪽으로 하류 방향으로 전진시키도록 설계되고 배열된다. 둘러싸인 통행로는 그곳을 통과하는 단일상 용액중의 발포제가 핵화되는 핵화 통로를 포함한다. 핵화 통로는 폴리머 물질 및 비핵화된 발포제의 균질한 유동성 단일상 용액을 수용하는 폴리머 수용 말단, 핵화된 폴리머 물질을 방출하도록 설계되고 배열된 핵화된 폴리머 방출 말단, 및 수용 말단과 방출 말단을 연결하는 유동체 통로를 포함한다. 임의로, 폴리머 방출 말단은 성형실의 구멍을 정의할 수 있거나 성형실과 유체 소통이 이루어질 수 있다. 핵화 통로는 시스템이 발포제와 균질하게 혼합된 유동성 폴리머가 통로를 통과하는 동안 약 0.1 GPa/sec 이상, 또는 약 0.3 GPa/sec 이상, 또는 약 1.0 GPa/sec 이상, 또는 약 3 GPa/sec 이상, 또는 약 10 GPa/sec 이상, 또는 약 100 GPa/sec 이상의 압력 감소 속도를 경험하게 할 수 있도록 하는 길이 및 횡단면 치수를 가지도록 설계된다. 핵화 통로는 또한 통로를 통과하는 유동성 폴리머가 가변적 압력 감소 속도 및 (또는) 온도 증가를 경험할 수 있도록 가변적 횡단면 치수를 갖도록 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 승압에서 기포 성장을 방지하기위해 승압에서 핵화된 폴리머 물질을 함유하도록 설계되고 배열된 성형실을 가지는 시스템이 제공된다. 가압 성형실은 이러한 승압에서 핵화된 폴리머 물질을 함유하기 위해 유동학적으로 또는 기계적으로 가압될 수 있다. 가압 성형실에서 압력이 감소한 후, 폴리머 물질은 성형실이 내부 모양을 갖도록 설계되고 배열될 때, 목적하는 모 양을 갖는 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 압출된 물질의 전구체를 수용하도록 설계된 입구, 발포제 및 그 전구체에 대한 발포된 폴리머 물품 전구체의 유동성 비핵화된 혼합물을 방출하도록 설계된 출구, 발포제 공급원에 연결가능한 구멍, 및 배럴내에서 왕복운동을 하도록 장착된 스크류를 가지는 배럴을 가지는 시스템이 제공된다. 압출 시스템은 또한 발포제 공급원에 연결가능한 두 개 이상의 구멍을 가질 수 있고, 구멍은 스크류가 왕복운동을 할 때 두 개 이상의 구멍을 통하여 비핵화된 혼합물을 배럴에 순차적으로 도입하기 위해 배럴 축을 따라 세로로 배열될 수 있다. 시스템은 또한 제1 배럴에 직렬로 연결된 제2 압출 배럴을 포함할 수 있고, 제2 배럴은 유동성 비핵화된 혼합물을 수용하도록 설계된 입구 및 배럴 내에서 왕복운동을 하도록 장착된 스크류를 가진다.
다른 측면에 따르면, 본 발명은 폴리머 전구체 및 발포제의 비핵화된 유동성 단일상 용액의 연속 스트림을 확립하고, 스트림을 핵화하여 혼합물의 핵화된 스트림을 생성하고, 핵화된 스트림을 엔클로저(enclosure)로 보내고, 혼합물이 엔클로저의 모양으로 응고되도록 하는 방법을 제공한다. 임의로, 스트림을 엔클로저로 보내는 동안 연속적으로 약 0.1 GPa/sec 이상의 압력 감소 속도를 경험하게 함으로써 스트림을 연속적으로 핵화하여 핵화된 물질의 연속 스트림을 생성할 수 있다. 택일적으로, 이 방법은 먼저 비핵화된 물질이, 다음으로 핵화된 물질이 엔클로저를 통과하도록 스트림을 엔클로저로 보내는 동안 약 0.1 GPa/sec 이상의 압력 감소 속도를 경험하게 함으로써 스트림을 간헐적으로 핵화하는 것을 포함한다. 반대로, 먼저 핵화된 물질이, 다음으로 비핵화된 물질이 엔클로저를 통과하도록 핵화된 스트림을 엔클로저로 보낼 수도 있다. 이 방법은 또한 응고된 미세 기포형 물품을 엔클로저로부터 회수하고, 약 10분 미만의 기간내에 제2 핵화된 혼합물을 엔클로저에 제공하고, 제2 혼합물을 엔클로저의 모양으로 응고되게 하고, 제2 응고된 미세 기포형 물품을 엔클로저로부터 회수하는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 발포된 폴리머 물질의 전구체 및 발포제의 충전물을 축적하고, 충전물의 약 2% 이상을 정의하는 충전물의 제1 부분을 충전물의 평균 온도보다 약 10℃ 이상 높은 온도로 가열하고, 충전물을 성형실로 사출하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 본질적으로 발포제가 없는 유동성 폴리머 물질을 포함하는 제1 부분 및 발포제와 혼합된 유동성 폴리머 물질을 포함하는 제2 부분을 포함하는 충전물을 성형실과 유체 소통이 이루어지도록 연결된 축적기에 축적하고, 축적기로부터 충전물을 성형실로 사출하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 발포된 폴리머 물질의 전구체 및 발포제의 유동성 단일상 용액을 용액을 핵화하는 동안 압출 장치와 유체 소통이 이루어지는 축적기로부터 성형실로 사출하여 핵화된 혼합물을 생성하고, 혼합물을 성형실에서 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 압출 스크류가 배럴 내에서 축방향으로 움직이는 동안 발포제를 폴리머 압출 장치의 압출기 배럴로 주입하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 발포제를 압출 스크류로부터 폴리머 압출 장치의 배럴로 주입하는 것 을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 압출 장치의 배럴에서 유동성 폴리머 물품 전구체를 확립하고, 유동성 전구체의 일부를 배럴로부터 배출하고, 유동성 전구체 부분을 발포제와 혼합하여 발포제 및 유동성 전구체 부분의 혼합물을 형성하고, 혼합물을 배럴에 도입하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 초임계 유체와 혼합된 폴리머 물질을 약 0.125 인치 미만의 내부 치수를 갖는 한 부분을 포함하는 주형에 도입하고, 폴리머 물질이 주형에서 응고되게 하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 두 개 이상의 상이한 용융된 폴리머 성분의 초임계 유동성 발포제와의 혼합물을 확립하고, 혼합물을 압출하여 두 개 이상 성분의 층간분리가 없는 발포체를 형성하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 폴리머 물질 및 발포제의 단일상 용액을 개방된 주형으로 사출한 다음, 주형을 닫고, 주형 모양의 미세 기포형 물품을 형성하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 단일상 용액을 확립하고, 용액을 핵화하면서 성형실로 도입하고, 주형을 크래킹(cracking)함으로써 기포 성장이 일어나게 하고, 성형실의 모양과 유사한 모양을 갖지만 성형실보다 큰 미세 기포형 폴리머 물품을 얻는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 압출기에서 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체 및 발포제의 비핵화된 균질한 유동성 단일상 용액을 형성하고, 용액을 핵화하면서 성형실을 용액으로 충 전하여 성형실내에서 핵화된 미세 기포형 폴리머 물질 전구체를 형성하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 유동성 폴리머 물질/발포제 혼합물을 성형실로 사출하고, 혼합물이 성형실에서 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 하고, 응고된 미세 기포형 폴리머 물품을 성형실로부터 회수하고, 약 10분 미만 이내에 성형실에 제2 폴리머/발포제 혼합물을 제공하고, 혼합물이 성형실에서 제2 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 하고, 제2 미세 기포형 폴리머 물품을 성형실로부터 회수하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
또한, 폴리머/발포제 혼합물을 약 400℉ 미만의 용융 온도에서 성형실로 사출하고, 성형실에서 약 5% 이상의 공극 부피 및 약 50:1 이상의 길이/두께 비를 갖는 솔리드 발포 폴리머 물품을 성형하는 것을 포함하는 방법을 제공한다. 이 방법의 일부 실시태양에서, 용융 온도는 약 380℉ 미만이고, 어떤 실시태양에서는 약 300℉ 미만, 기타 실시태양에서는 약 200℉ 미만이다.
또한, 비발포된 폴리머 물질을 성형실로 사출하고, 폴리머 물질이 성형실의 모양과 본질적으로 동일한 모양을 갖는 미세 기포형 폴리머 물품을 형성하게 하는 것을 포함하는 방법을 제공한다. 이 물품은 세 개의 수직으로 교차하는 횡단축의 각각에서 약 1/2 인치 이상의 황단면 치수 및 50% 이상의 공극 부피를 갖는 하나 이상의 부분을 포함한다.
본 발명에 의해 제공되는 다른 방법은 발포된 폴리머 물질의 유동성 전구체를 약 100℃ 미만의 성형실 온도에서 성형실로 사출하고, 혼합물이 성형실에서 미 세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 하는 것을 포함한다. 이 물품은 세 개의 수직으로 교차하는 횡단축의 각각에서 약 1/2 인치 이상의 황단면 치수 및 50% 이상의 공극 부피를 갖는 하나 이상의 부분을 포함한다. 성형실 온도는 약 75℃, 50℃, 또는 30℃ 미만일 수 있고, 발포된 폴리머 물질은 폴리올레핀일 수 있다.
다른 방법은 비발포된 폴리머 물질을 성형실로 사출하고, 혼합물이 성형실에서 약 50% 이상의 공극 부피를 갖는 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 하고, 상기 사출 및 응고 단계를 약 1분 미만의 주기로 반복하는 것을 포함한다.
본 발명에 의해 제공되는 다른 방법은 폴리머 물질 및 발포제의 유동성 단일상 용액을 미세 기포형 핵화를 일으키기에 충분한 제1 압력 감소 속도로 일어나는 급속한 압력 감소를 경험하게 하면서 용액을 성형실로 사출하는 것을 포함한다. 본질적으로 그 후 즉시 물질을 제1 압력 감소보다 낮은 제2 압력 감소 속도를 감소하는 속도로 경험하게 함으로써 기포 성장이 일어나게 하고 조절한다.
본 발명의 시스템은 발포된 폴리머 물질의 전구체 및 발포제를 수용하기 위한 입구 및 출구를 가지는 축적기, 축적기의 출구와 유체 소통이 이루어지도록 연결된 입구를 가지는 성형실, 및 시스템이 작동되는 동안 성형실에 가까운 축적기의 제1 부분을 축적기의 평균 온도보다 약 10℃ 이상 높은 온도로 가열하기 위해 설계되고 배열된 축적기와 관련된 가열기구를 포함하는 것을 포함한다.
또한, 발포된 폴리머 물질의 전구체를 수용하기 위한 입구를 가지며 전구체로부터 유동성 폴리머 물질을 제조하도록 설계되고 배열된 압출기, 압출기로부터 유동성 폴리머 물질을 운반하도록 위치한 제1 출구, 제1 출구의 하류에 물리적 발 포제 공급원에 연결된 발포제 입구, 발포제 입구의 하류에 유동성 폴리머 전구체 및 발포제의 혼합물을 생성하도록 설계되고 배열된 혼합 영역, 혼합 영역의 하류에 유동성 폴리머 전구체 및 발포제 혼합물을 운반하도록 위치한 제2 출구, 및 압출기의 제1 출구와 유체 소통이 이루어지도록 연결된 제1 입구 및 압출기의 제2 출구와 유체 소통이 이루어지도록 연결된 제2 입구를 가지는 축적기를 포함하는 시스템을 제공한다.
또한, 출구 말단에서 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 균질한 유동성 단일상 용액을 방출하도록 설계된 출구를 갖는 압출기, 및 압출기의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실을 포함하는, 사출 성형 미세 기포형 물질을 제조하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 단일상 용액을 압출기 출구로부터 성형실로 운반하고, 성형실을 충전하는 동안, 단일상 용액을 핵화하여 성형실 내에서 핵화된 미세 기포형 폴리머 물질 전구체를 형성하도록 설계되고 배열된다.
또한, 발포된 물질을 수용하도록 설계된 입구, 비핵화된 발포제 및 전구체의 유동성 혼합물을 방출하도록 설계된 출구, 발포제 공급원에 연결가능한 구멍, 및 배럴내에서 왕복운동을 하도록 장착된 스크류를 가지는 배럴을 포함하는 압출 시스템을 제공한다.
또한, 출구 말단에서 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체 및 발포제를 방출하도록 설계된 출구를 갖는 압출기 및 압출기의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실을 포함하는, 사출 성형 미세 기포형 물질을 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체 및 발포제를 성형 실로 주기적으로 사출하도록 설계되고 배열된다.
본 발명은 또한 압출된 물질의 전구체를 수용하도록 설계된 입구 및 비핵화된 발포제 및 전구체의 유동성 혼합물을 방출하도록 설계된 출구, 및 발포제 공급원에 연결된 구멍을 가지는 배럴을 포함하는 압출 시스템을 제공한다. 스크류는 배럴 내에서 왕복운동을 하도록 장착된다.
용융된 미세 기포형 폴리머 물질을 제조하기 위해 본 발명에 의해 제공된 다른 시스템은 용융된 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체를 수용하도록 설계되고 배열된 입구, 성형실, 및 입구와 성형실을 연결하는 채널을 포함한다. 채널은 입구와 성형실 사이에 폭은 약 100% 이상 증가하는 반면 횡단 면적은 약 25% 이하로 변하는 분기 부분을 포함한다.
본 발명의 다른 시스템은 용융된 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체를 수용하도록 설계되고 배열된 입구, 성형실, 및 입구와 성형실을 연결하는 채널을 포함한다. 채널은 폴리머 물질 및 발포제의 유동성 단일상 용액이 시스템이 설계된 속도로 통로를 통과할 때, 유동체 통로에서 미세 기포형 핵화를 일으키기에 충분한 압력 감소 속도로 압력 감소를 생성하는 길이 및 횡단면 치수를 가지는 핵화 통로를 포함한다. 채널은 핵화 통로와 성형실 사이에 성형실 방향으로 횡단면 치수가 증가하는 기포 성장 영역을 포함한다.
본 발명의 다른 시스템은 바로 위에 기술한 바와 같으나. 횡단면 치수가 증가하는 기포 성장 영역을 반드시 포함하지는 않지만, 약 1.5:1 이상의 폭/높이 비를 가지는 핵화 통로를 포함한다.
본 발명의 다른 시스템은 바로 위에 기술한 바와 유사하나, 핵화 통로가 반드시 1.5:1 이상의 폭/높이 비를 가질 필요는 없고, 성형실의 한 치수와 동일한 폭을 가진다.
다른 측면에서, 본 발명은 압출 스크류가 배럴 내에서 축방향으로 움직일 때, 발포제를 폴리머 압출 장치의 압출 배럴로 주입하는 것을 포함하는 방법을 제공한다. 한 실시태양에서, 이 방법은 발포제를 압출 스크류로부터 폴리머 압출 장치의 배럴로 주입하는 것을 포함한다. 임의의 매우 다양한 미세 기포형에 관한 통상적인 기술을 가진 주입 기술을 사용할 수 있다. 다른 측면에서, 본 발명은 스크류 내에 스크류의 표면에 있는 구멍과 소통이 이루어지는 루멘을 포함하는, 폴리머 압출 장치의 배럴 내에서 회전하도록 설계되고 배열된 압출 스크류를 포함한다. 루멘은 발포제를 압출 배럴로 주입하는데 사용할 수 있다.
다른 측면에서 본 발명은 사출 성형된 물품을 제조하기 위한 시스템을 제공한다. 시스템은 압출기, 성형실, 압출기와 성형실을 유체소통이 이루어지도록 연결하는 러너(runner), 및 러너와 열적소통이 이루어지도록 연결된 온도 조절 장치를 포함한다. 다른 측면에서, 본 발명은 압출기에서 발포제와 사출 성형된 물질 전구체의 유동성 혼합물을 확립하고, 유동성 혼합물을 러너를 통해서 성형실로 보내고, 러너에 있는 혼합물의 일부를 유동 상태로 유지하면서 성형실에서 유동성 혼합물의 부분을 응고시키고, 추가의 유동성 혼합물을 러너로 사출함으로써 러너에 있는 유동성 혼합물의 부분을 성형실로 밀어내는 것을 포함한다.
본 발명은 또한 유동성 폴리머 물품 전구체의 일부를 압출 배럴로부터 배출 하고, 유동성 전구체의 부분을 발포제와 혼합하여 혼합물을 형성하고, 혼합물을 배럴에 재도입하는 것을 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 압출기 배럴을 가지는 압출기, 성형실, 및 배럴내의 제1 상류 구멍, 배럴내의 제2 하류 구멍 및 발포제 공급원과 유체 소통이 이루어지는 혼합실을 포함하는 시스템을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 성형실의 모양과 본질적으로 동일한 모양을 가지고, 약 0.125 인치 이하의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 발포 물품을 제공한다.
다른 측면은 삼차원 치수 중 제1 축과 관련된 치수가 제2 수직축에 따른 위치의 함수로서 변화하고 삼차원에 대응하는 세 개의 교차하는 주축을 가지는 삼차원 폴리머 발포 물품을 포함한다. 이 물품은 약 0.125 인치 이하의 횡단면 치수 및 약 20% 이상의 공극 부피를 가지는 하나 이상의 부분을 포함한다.
다른 측면은 삼차원 치수 중 제1 축과 관련된 치수가 제2 수직축에 따른 위치의 함수로서 변화하고 삼차원에 대응하는 세 개의 교차하는 주축을 가지는 삼차원 폴리머 발포 물품을 포함한다. 이 물품은 약 0.125 인치 이하의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분을 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명은 약 50:1 이상의 길이/두께 비를 가지고 폴리머가 약 10 미만의 용융 지수를 가지는 사출 성형된 폴리머 부품을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 약 120:1 이상의 길이/두께 비를 가지고 폴리머가 약 40 미만의 용융 유속을 가지는 사출 성형된 폴리머 부품을 제공한다.
다른 측면에서, 본 발명은 약 5% 이상의 공극 부피, 및 육안으로 볼 수 있는 스플레이(splay) 및 소용돌이가 없는 표면을 가지는 사출 성형된 폴리머 발포체를 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 약 20% 이상의 공극 부피에서 약 0.125 인치 미만의 두께를 가지는 물품을 제공한다. 또한 초임계 유체와 혼합된 폴리머 물질을 약 0.125 인치 미만의 내부 치수를 가지는 부분을 포함하는 주형으로 도입하고, 폴리머 물질이 주형에서 응고되게 하고, 도입 및 응고 단계가 10초 미만의 시간 이내에 일어나는 것을 포함하는 이러한 물품의 제조방법을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 성형실의 모양과 본질적으로 동일한 모양을 가지고, 세 개의 수직으로 교차하는 횡단축의 각각에서 약 1/2 인치 이상의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 폴리머 물품을 제공한다. 이 물품은 약 50% 이상의 공극 부피를 가지고, 평균 기포벽 두께의 기포벽을 포함하는 기포로 정의된다. 물품은 평균 기포벽 두께의 약 5배를 초과하는 두께의 주기적 솔리드 경계를 가지지 않는다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 약 0.075 인치 이하의 횡단면 치수 및 약 5% 이상의 공극 부피를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 폴리머 발포 물품을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 약 0.075 인치 내지 약 0.125 인치의 횡단면 치수 및 약 10% 이상의 공극 부피를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 폴리머 발포 물품을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 약 0.125 인치 내지 약 0.150 인치의 횡단면 치수 및 약 15% 이상의 공극 부피를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 폴리머 발포 물품을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 약 0.150 인치 내지 약 0.350 인치의 횡단면 치수 및 약 20% 이상의 공극 부피를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 성형된 폴리머 발포 물품을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 총 기포 수의 70% 이상이 150 미크론 미만의 기포 크기를 가지는 다수의 기포를 포함하는 성형된 폴리머 물품을 제공한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 시스템을 제공한다. 시스템은 상류 말단에 폴리머 물품 전구체를 수용하도록 설계된 입구 및 하류 말단에 출구를 가지는 배럴을 포함한다. 배럴은 상류 말단과 하류 말단 사이에, 발포제를 공급원으로부터 배럴내 전구체에 도입하여 배럴에서 전구체 물질과 발포제의 혼합물을 형성하기 위해서 발포제 공급원에 유체 소통이 이루어지도록 연결가능한 발포제 포트를 포함한다. 이 시스템은 또한 발포제 공급원에 연결된 입구 및 배럴에 연결된 출구를 가지는 계량 장치를 포함한다. 계량 장치는 발포제 공급원으로부터 발포제 포트까지의 발포제의 질량 유속을 계량하도록 설계되고 배열된다. 이 시스템은 추가로 배럴로부터 전구체 물질과 발포제의 혼합물을 수용하기 위해 배럴의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실을 포함한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 폴리머 발포 물품을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 압출 장치의 배럴내에서 하류 방향으로 흐르는 폴리머 물품 전구체 의 스트림을 밀어내는 것을 포함한다. 이 방법은 추가로 발포제를 발포제의 질량 유동에 의해 계량된 속도로 스트림으로 도입하여 유동성 폴리머 물품 전구체와 발포제의 혼합물을 형성하는 것을 포함한다. 이 방법은 추가로 유동성 폴리머 물품 전구체 혼합물을 배럴에 유체 소통이 이루어지도록 연결된 성형실로 사출하는 것을 포함한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 시스템을 제공한다. 이 시스템은 상류 말단에 폴리머 물품 전구체를 수용하도록 설계된 입구, 및 하류 말단에 출구를 가지는 배럴을 포함한다. 배럴은 상류 말단과 하류 말단 사이에 다수의 구멍을 가지는 발포제 포트를 포함한다. 발포제 포트는 발포제를 발포제 공급원으로부터 각각의 구멍을 통하여 배럴에 있는 전구체에 도입하여 배럴에서 전구체 물질과 발포제의 혼합물을 형성하기 위해 발포제 공급원에 유체 소통이 이루어지도록 연결되어 있다. 이 시스템은 추가로 배럴로부터 전구체 물질과 발포제의 혼합물을 수용하기 위해 배럴의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실을 포함한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 폴리머 물품을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은 압출 장치의 배럴내에서 하류 방향으로 흐르는 폴리머 물품 전구체의 스트림을 밀어내는 것을 포함한다. 이 방법은 추가로 배럴을 발포제 공급원과 유체 소통이 이루어지도록 연결하는 발포제 포트에서 다수의 구멍을 통하여 발포제 공급원으로부터 스트림으로 발포제를 도입하여 전구체 물질과 발포제의 혼합물을 형성하고, 전구체 물질의 혼합물을 배럴과 유체 소통이 이루어지도록 연결된 성형실로 사출하는 것을 포함한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 사출 성형된 미세 기포형 물질을 제조하는 시스템을 제공한다. 이 시스템은 미세 기포형 물질의 전구체 및 발포제를 축적하도록 설계되고 배열되었으며 출구를 포함하는 축적기를 포함한다. 이 시스템은 추가로 축적기의 출구를 통하여 미세 기포형 물질의 전구체를 주기적으로 사출하도록 설계되고 배열된 사출기를 포함한다. 시스템은 추가로 축적기의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실을 포함한다. 성형실은 미세 기포형 물질의 전구체를 수용하도록 설계되고 배열된다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 방법을 제공한다. 이 방법은 미세 기포형 폴리머 물질의 전구체 및 발포제의 충전물을 축적하고, 충전물을 성형실로 사출하는 것을 포함한다.
본 발명의 기타 장점, 새로운 특징, 및 목적은 개략적이고 실제 크기가 아닌 첨부한 도면을 참고할 때 하기 발명의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다. 도면에 있어서, 여러 도면에서 설명되는 각각의 동일하거나 거의 동일한 성분은 단일 숫자로 나타낸다. 명확성을 위해서, 당업계의 통상의 기술을 가진 자가 본 발명을 이해하는데 설명이 필요하지 않은 경우에는, 모든 도면에 모든 성분을 표기하지는 않았고, 본 발명의 각 실시태양의 모든 성분을 나타내지도 않았다.
<발명의 상세한 설명>
본원 명세서에서는 공동 소유의, 현재 계류 중인 미국 특허 출원 제08/777,709호(1996. 12. 20. 출원; 발명의 명칭: "미세 기포형 폴리머 압출을 위한 방법 및 장치") 및 공동 소유의, 현재 계류 중인 국제 특허 공개 제WO 98/08667 호 (1998. 3. 5. 공개) 및 제WO 98/31521호(1998. 7. 23. 공개)를 인용문헌으로 포함한다.
본 발명의 다양한 실시태양 및 측면은 하기 정의로부터 더 잘 이해될 것이다. 본원 명세서에서 "핵화"는 주변 조건 하에서 기체인 종의 분자들이 용해된 폴리머 물질의 균질한 단일상 용액이 기포가 성장하는 곳인 "핵화 자리"를 정의하는 상기 종의 분자의 덩어리를 형성하는 공정을 정의한다. 즉, "핵화"는 균질한 단일상 용액으로부터 적어도 여러 개의 발포제 분자의 응집 자리가 형성되는 혼합물로의 변화를 의미한다. 핵화는 폴리머 용융물 중의 용액 상태인 기체가 용액으로부터 빠져나와 폴리머 용융물 내에서 버블(bubble)의 현탁액을 형성하는 전이 상태를 정의한다. 일반적으로, 이 전이 상태는 폴리머 용융물의 용해도를 용액 중에 일정량의 기체를 함유하는 충분한 용해도 상태로부터 용액 중에 동일한 양의 기체를 함유하는 불충분한 용해도 상태로 변화시키는 것에 의해 일어난다. 핵화는 균질한 단일상의 용액을 급속한 온도 변화, 급속한 압력 감소 또는 둘 다와 같은 급속한 열동력학적 불안정 상태를 경험하게 하는 것에 의해 일어날 수 있다. 급속한 압력 감소는 하기에 정의된 핵화 통로를 사용하여 생성할 수 있다. 급속한 온도 변화는 압출기의 가열된 부분, 뜨거운 글리세린 배스 등을 사용하여 생성할 수 있다. 본원 명세서에서 "미세 기포형 핵화"는 조절된 팽창시 미세 기포형 물질을 생성하기에 충분히 높은 기포 밀도에서의 핵화를 의미한다. "핵화제"는 폴리머에 첨가되어 단일상의 균질한 용액으로부터 핵화 자리의 형성을 촉진할 수 있는 탈크 또는 기타 충전제 입자와 같은 분산된 제제이다. 그러므로, "핵화 자리"는 폴리머 내에서 핵 화제 입자가 머무는 자리를 정의하지 않는다. "핵화된"이란 핵화 자리의 형성을 일으키는 사건(전형적으로 열동력학적 불안정) 후의, 주변 조건 하에서 기체인 용해된 종을 포함하는 단일상의 균질한 용액을 함유한 유동성 폴리머 물질의 상태를 말한다. "비핵화된"이란 핵화 자리가 없는, 폴리머 물질 및 주변 조건 하에서 기체인 용해된 종의 균질한 단일상 용액의 상태를 말한다. "비핵화된" 물질은 탈크와 같은 핵화제를 포함할 수 있다. "폴리머 물질/발포제 혼합물"은 그 둘 이상의 단일상 비핵화된 용액, 그 둘 이상의 핵화된 용액, 또는 발포제 기포가 성장한 혼합물일 수 있다. "핵화 통로"는 미세 기포형 폴리머 발포 압출 장치의 부분을 형성하고, 장치가 작동하도록 된 상태 (전형적으로 핵화기의 상류에서 약 1500 내지 약 30000 psi의 압력, 및 시간당 약 10 파운드의 폴리머 물질을 초과하는 유속) 하에서, 시스템에서 발포제와 혼합된 폴리머 물질의 단일상 용액의 압력이 급속한 핵화를 촉진하는 속도 또는 속도들로 특정한 발포제 농도에 대한 포화 압력 아래로 감소하는 통로를 의미한다. 핵화 통로는 임의로 기타 핵화 통로와 함께, 핵화 또는 본 발명의 장치의 핵화 영역을 정의한다. 본원 명세서에서 "강화제"는 물질에 치수 안정성, 또는 강도 또는 인성을 첨가하도록 설계되고 배열된 본질적으로 고형인 보조 물질을 말한다. 이러한 물질은 미국 특허 제4,643,940호 및 제4,426,470호에 기재된 바와 같은 섬유 물질로 대표된다. "강화제"는 정의상, 치수 안정성을 부가하도록 설계되고 배열되지 않은 충전제 또는 기타 첨가제를 반드시 포함하지는 않는다. 당업계의 통상의 기술을 가진 자는 특정한 물질과 관련하여 강화제인지 확인하기 위하여 첨가제를 시험할 수 있다.
본 발명은 미세 기포형 폴리머 물질을 포함하는 폴리머 물질의 침입 사출 성형을 위한 시스템 및 방법, 및 침입 사출 성형에 유용하고 또한 기타 기술과 관련하여 유용한 시스템 및 방법을 제공한다. 예를 들면, 사출 및 침입 성형을 주로 기재하긴 하지만, 당업계의 통상의 기술을 가진 자는 제한하는 것은 아니지만, 저압력 성형, 공동 사출 성형, 층 성형, 압축 사출 성형 등과 같은 기타 성형법에서의 사용을 위해 본 발명을 쉽게 변형할 수 있다. 본 발명의 목적상, 미세 기포형 물질은 직경 약 100 미크론 미만의 평균 기포 크기를 가지는 발포된 물질, 또는 일반적으로 입방 센티미터 당 기포 수가 약 106 개를 초과하는 기포 밀도를 갖는 물질 또는 바람직하게는 둘 다를 정의한다. 비미세 기포형 발포체는 이 범위 밖의 기포 크기 및 기포 밀도를 가진다. 미세 기포형 물질의 공극 분율은 일반적으로 5% 내지 98%이다. 본 발명의 목적상, 초미세 기포형 물질은 1 ㎛ 미만의 기포 크기 및 입방 센티미터 당 기포 수가 1012 개를 초과하는 기포 밀도를 정의한다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명은 약 50 미크론 미만의 평균 기포 크기를 가지는 미세 기포형 물질을 제조한다. 어떤 실시태양에서 특히 작은 기포 크기가 필요하고, 이 실시태양에서 본 발명의 물질은 약 20 미크론 미만, 더 바람직하게는 약 10 미크론 미만, 더 바람직하게는 약 5 미크론 미만의 평균 기포 크기를 가진다. 미세 기포형 물질은 바람직하게는 최대 기포 크기가 약 100 미크론이다. 특히 작은 기포 크기가 필요한 실시태양에서, 물질은 약 50 미크론, 더 바람직하게는 약 25 미크론, 더 바람직하게는 약 15 미크론, 더 바람직하게는 약 8 미크론, 더 바람직하게는 약 5 미크론의 최대 기포 크기를 가질 수 있다. 일련의 실시태양은 언급된 평균 기포 크기 및 최대 기포 크기의 모든 조합을 포함한다. 예를 들면, 이 일련의 실시태양에서 한 실시태양은 약 50 미크론의 최대 기포 크기와 약 30 미크론 미만의 평균 기포 크기를 가지는 미세 기포형 물질을 포함하고, 다른 예로서 약 35 미크론의 최대 기포 크기와 약 30 미크론 미만의 평균 기포 크기 등을 갖는 미세 기포형 물질을 포함한다. 즉, 그 목적을 위해 바람직한 평균 기포 크기 및 최대 기포 크기의 특정한 조합을 가지는, 다양한 목적을 위해 설계된 미세 기포형 물질을 제조할 수 있다. 기포 크기의 조절은 하기에 더 상세하게 기재된다.
한 실시태양에서, 본 발명의 기술에 따라서 본질적으로 독립 기포 미세 기포형 물질을 제조한다. 본원 명세서에서, "본질적으로 독립 기포"는 약 100 미크론의 두께에서, 물질을 통해 연결된 기포 통로를 전혀 함유하지 않은 물질을 의미한다.
도 1에서는, 본 발명의 다양한 실시태양에 따른 성형을 수행하는데 사용할 수 있는 성형 시스템 (30)을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 시스템 (30)은 제1 상류 말단 (34), 및 성형실 (37)에 연결된 제2 하류 말단 (36)을 가지는 배럴 (32)를 포함한다. 상류 말단에서 구동 모터 (40)에 작동가능하게 연결된 스크류 (38)은 배럴 (32) 내에서 회전하도록 장착된다. 상세하게 나타내지는 않았지만, 스크류 (38)은 공급, 전이, 기체 사출, 혼합, 및 계량 구역을 포함한다.
임의로 온도 조절 유닛 (42)가 배럴 (32)를 따라서 위치한다. 조절 유닛 (42)는 전기적 가열기일 수 있고, 온도 조절 유체 등을 위한 통행로를 포함할 수 있다. 유닛 (42)는 용융을 촉진하기 위해 배럴 내에서 펠렛화된 또는 유동성 폴리머 물질을 가열하거나, 및(또는) 점도 및 어떤 경우에는 발포제 용해도를 조절하기 위해 스트림을 냉각하는데 사용할 수 있다. 온도 조절 유닛은 배럴의 다른 위치에서 별도로 작동할 수 있는데, 즉, 하나 이상의 위치에서 가열하고 하나 이상의 다른 위치에서 냉각할 수 있다. 임의의 갯수의 온도 조절 유닛을 제공할 수 있다.
배럴 (32)는 폴리머 물질의 전구체를 수용하도록 설계되고 배열된다. 본원 명세서에서, "폴리머 물질의 전구체"는 유동성이거나 또는 유체를 형성할 수 있고, 후속적으로 경화되어 미세 기포형 폴리머 물품을 형성할 수 있는 모든 물질을 포함한다. 전형적으로, 전구체는 열가소성 폴리머 펠렛을 정의하나 기타 종을 포함할 수 있다. 예를 들면, 한 실시태양에서 전구체는 다양한 조건 하에서, 반응하여 기재한 것과 같은 미세 기포형 폴리머 물질을 형성하는 종을 정의할 수 있다. 본 발명은 함께 반응하여 폴리머를 형성할 수 있는 종, 전형적으로 혼합되어 반응이 일어날 때 발포되는 모노머 또는 저분자량 폴리머 전구체의 임의의 혼합물로부터 미세 기포형 물질을 제조하는 것을 포함한다. 일반적으로, 본 발명에 포함된 종은 반응 및 발포 동안에 폴리머 성분의 가교로 인하여 폴리머 분자량이 유의하게 증가하는 열경화성 폴리머를 포함한다. 예를 들면, 폴리헥사메틸렌아디파미드, 폴리(e-카프로락탐)과 같은 지방족 및 방향족 폴리아미드, 폴리디시클로펜타디엔을 포함하는 시클로아로마틱 폴리머와 같은 폴리엔, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴아메이트와 같은 아크릴 폴리머, 2-시아노아크릴 에스테르 폴리머와 같은 아크릴 에스테르 폴리머, 아크릴로니트릴 폴리머, 및 혼합물을 포함하는 축합 및 부가형의 폴리아미드.
바람직하게는, 열가소성 폴리머 또는 열가소성 폴리머의 혼합물은 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 플루오로폴리머, 가교결합가능한 폴리올레핀, 폴리아미드, 염화 폴리비닐, 및 폴리스티렌을 포함하는 스티렌 폴리머와 같은 폴리아로마틱을 포함하는 무정질, 반결정질 및 결정질 물질로부터 선택된다. 열가소성 엘라스토머, 특히 메탈로센으로 촉매된 폴리에틸렌도 사용할 수 있다.
전구체는 구멍을 통하여 사출되고 예를 들면, 중합 보조제에 의해 배럴내에서 중합되는 유동성 프레폴리머 물질일 수도 있으나, 전형적으로, 폴리머 물질의 전구체의 도입은 펠렛화된 폴리머 물질을 함유하는 표준 호퍼 (44)를 사용하여 구멍 (46)을 통하여 압출기 배럴로 보내진다. 본 발명과 관련하여, 시스템 내에 폴리머 물질의 유동성 스트림을 확립하는 것만이 중요하다.
도 1에서 스크류 (38)의 하류 말단 (48)의 바로 아래에는 온도 조정 및 조절 영역, 보조 혼합 영역, 보조 펌핑 영역 등이 될 수 있는 영역 (50)이 존재한다. 예를 들면, 영역 (50)은 하기와 같이, 핵화 전에 유동성 폴리머 스트림의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 유닛을 포함할 수 있다. 영역 (50)은 대신에, 또는 추가로, 표준 혼합 유닛(도시하지 않음), 또는 기어 펌프(도시하지 않음)와 같은 유동 조절 유닛을 포함할 수 있다. 다른 실시태양에서, 영역 (50)은 냉각 영역을 포함할 수 있는 직렬로 된 제2 스크류로 대체할 수 있다. 하기에서 더 완전하게 기재되는, 스크류 (38)이 사출 성형 시스템에서 왕복운동하는 스크류인 실시태양에서, 영역 (50)은 폴리머 물질 및 발포제의 단일상 비핵화된 용액이 주형 (37)로 사 출되기 전에 축적되는 축적 영역을 정의할 수 있다.
본 발명에 따른 미세 기포형 물질 제조는 바람직하게는 물리적 발포제, 즉 주변 조건 하에서 기체인 물질을 사용한다(하기에 더 자세하게 기재됨). 그러나, 화학적 발포제를 사용할 수 있고, 호퍼 (44)에 도입된 폴리머 펠렛과 함께 제조할 수 있다. 적합한 화학적 발포제는 임계 온도 또는 압출에서 획득가능한 다른 조건에서 분해하여, 질소, 이산화탄소, 또는 일산화탄소를 방출하는 전형적으로 비교적 저분자량의 유기 화합물을 포함한다. 예는 아조 디카본아미드와 같은 아조 화합물을 포함한다.
언급한 바와 같이, 바람직한 실시태양에서는 물리적 발포제를 사용한다. 화학적 발포제가 아니라 물리적 발포제를 사용하는 실시태양의 한 장점은 생성물의 재활용이 최대화된다는 것이다. 잔류 화학적 발포제 및 발포제 부산물이 전체적으로 불균일한 재활용 물질 풀(pool)에 기여하므로, 화학적 발포제의 사용은 전형적으로 폴리머의 재활용성을 감소시킨다. 화학적 발포제로 발포된 발포체는 원래 최종 발포 생성물을 제조한 후에 잔류 미반응 화학적 발포제 뿐만 아니라 화학적 발포제를 형성하는 반응의 화학적 부산물을 포함하므로, 이 실시태양에서 본 발명의 물질은 잔류 화학적 발포제, 또는 화학적 발포제의 반응 부산물을 0.1 중량% 이상의 화학적 발포제로 발포시킨 물품에서 원래 발견되는 것보다 적은 양, 바람직하게는 0.05 중량% 이상의 화학적 발포제로 발포시킨 물품에서 원래 발견되는 것보다 적은 양으로 포함한다. 특히 바람직한 실시태양에서, 물질은 잔류 화학적 발포제 또는 화학적 발포제의 반응 부산물을 본질적으로 포함하지 않는 것을 특징으로 한 다. 즉, 이들은 임의의 화학적 발포제로 발포시킨 물품에서 원래 발견되는 잔류 화학적 발포제 또는 화학적 발포제의 반응 부산물을 덜 포함한다. 이 실시태양에서, 물리적 발포제 공급원 (56)과 유체 소통이 이루어지는 하나 이상의 포트 (54)가 시스템 (30)의 배럴 (32)를 따라 존재한다. 헬륨, 탄화수소, 클로로플루오로카본, 질소, 이산화탄소 등과 같은 당업계의 통상의 기술을 가진 자에게 알려진 임의의 매우 다양한 물리적 발포제 또는 이들의 혼합물을 본 발명과 관련하여 사용할 수 있고, 바람직한 실시태양에 따르면 공급원 (56)은 발포제로서 이산화탄소를 제공한다. 초임계 유동성 발포제, 특히 초임계 이산화탄소가 특히 바람직하다. 한 실시태양에서는, 초임계 이산화탄소만을 발포제로서 사용한다. 초임계 이산화탄소를 압출기로 도입하고, 이산화탄소를 초임계 유체로서 주입하거나, 또는 이산화탄소를 기체 또는 액체로 주입한 후, 많은 경우 수 초내에 이산화탄소를 초임계 상태로 되게 하는 조건을 압출기내에 허용함으로써 급속히 폴리머 물질과 단일상 용액을 형성할 수 있다. 이산화탄소를 초임계 상태로 압출기로 주입하는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 초임계 이산화탄소 및 폴리머 물질의 단일상 용액은 저온 성형 뿐만 아니라, 하기에서 더 상세하게 논의되는, 매우 얇은 성형 부품을 형성하는데 대해 내성을 가지는 주형의 급속한 충전을 유리하게 허용하는 매우 낮은 점도를 가진다.
가압 및 계량 장치 (58)이 전형적으로 발포제 공급원 (56)과 하나 이상의 포트 (54) 사이에 제공된다. 장치 (58)은 발포제를 필요한 양으로 유지하기 위해 압출기 내에서 폴리머 스트림 중의 발포제의 양을 조절하기 위해서, 0.01 lbs/h 내지 70 lbs/h, 또는 0.04 lbs/h 내지 70 lbs/h, 더 바람직하게는 0.2 lbs/h 내지 12 lbs/h의 발포제의 질량을 계량하는데 사용할 수 있다. 한 실시태양에 따르면, 폴리머 스트림 중의 발포제의 양은 폴리머 스트림 및 발포제의 중량을 기준으로 하여, 폴리머 물질과 발포제의 혼합물의 약 0.1 중량% 내지 25 중량%, 바람직하게는 약 1.0 중량% 내지 25 중량%, 더 바람직하게는 약 6 중량% 내지 20 중량%, 더 바람직하게는 약 8 중량% 내지 15 중량%, 더욱 바람직하게는 약 10 중량% 내지 12 중량%이다. 사용되는 특정 발포제(이산화탄소, 질소 등) 및 사용되는 발포제의 양은 종종 폴리머, 밀도 감소, 기포 크기 및 필요한 물리적 성질에 의존한다. 질소를 발포제로 사용하는 실시태양에서, 발포제의 양은 0.1% 내지 2.5%, 어떤 경우에서는 바람직하게는 0.1% 내지 1.0%이고, 이산화탄소를 발포제로 사용하는 실시태양에서, 발포제의 질량 유동은 어떤 경우에서는 0.1% 내지 12%, 바람직한 실시태양에서는 0.5% 내지 6.0%일 수 있다.
가압 및 계량 장치는 유동성 폴리머 혼합물 중의 발포제의 중량 퍼센트를 매우 정밀하게 조절하기 위해 폴리머 물질의 유동과 관련하여 발포제의 계량을 조절하는, 구동 모터 (40)에 연결된 조절기(도시하지 않음)에 연결할 수 있다. 예를 들면, 발포제의 질량 유속은 바람직한 경우에서 +/-0.3% 이하로 변하도록 조절할 수 있다.
포트 (54)는 배럴을 따라 임의의 여러 부위에 위치할 수 있긴 하지만, 바람직한 실시태양에 따르면, 스크류의 혼합 구역 (69)의 바로 상류 및 온전한 날개를 포함하는 스크류의 부위 (62)에 위치한다.
도 1A에서는, 발포제 포트의 바람직한 실시태양을 더 상세하게 설명하고, 추가로, 배럴의 대향하는 상부 및 하부에 있는 두 개의 포트를 나타낸다. 이 바람직한 실시태양에서, 포트 (54)는 혼합 구역의 상류로 약 4개 이하의 온전한 날개, 바람직하게는 약 2개 이하의 온전한 날개, 또는 1개 이하의 온전한 날개의 거리에 있는, 스크류 (38)(매우 끊어진 날개를 포함하는)의 혼합 구역 (60)으로부터의 상류 영역에 위치한다. 이렇게 위치할 때, 주입된 발포제는 매우 빠르고 균일하게 유동성 폴리머 스트림과 혼합되어 발포된 물질 전구체 및 발포제의 단일상 용액을 빨리 생성한다.
설명한 바람직한 실시태양에서, 포트 (54)는 발포제 공급원을 압출기 배럴에 연결하는 다수의 구멍 (64)를 포함하는 다구멍 포트이다. 나타낸 바와 같이, 바람직한 실시태양에서 다수의 포트 (54)는 압출기 배럴 주위에 방사상으로 여러 위치에 제공되고, 각각에 대하여 세로로 배열될 수 있다. 예를 들면, 다수의 포트 (54)는 압출기 배럴 주위에 12시, 3시, 6시, 및 9시 방향에 위치할 수 있고, 각각 다수의 구멍 (64)를 포함한다. 이런 방식으로, 각 구멍 (64)가 발포제 구멍인 경우, 본 발명은 배럴을 발포제 공급원에 유체 소통이 이루어지도록 연결하고, 압출기 배럴과 유체 소통이 이루어지도록 연결된 약 10개 이상, 바람직하게는 약 40개 이상, 더 바람직하게는 약 100개 이상, 더 바람직하게는 약 300개 이상, 더 바람직하게는 약 500개 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 700개 이상의 발포제 구멍을 가지는 압출 장치를 포함한다.
또한 바람직한 실시태양에서 발포제 구멍 또는 구멍들은 압출기 배럴을 따 라, 바람직한 스크류가 배럴에 장착되었을 때는, 구멍이나 구멍들이 온전한, 끊어지지않은 날개 (65)에 인접하는 곳에 위치한다 (도 1A에 나타냄). 이런 방식에서는, 스크류가 회전할 때 각 날개는 각 구멍을 주기적으로 통과하거나 또는 "와이핑한다". 이 와이핑은 한 실시태양에서 날개가 그와 구멍이 일렬을 이룰 때 구멍을 완전히 막을 수 있을 정도로 구멍에 비해서 클 때, 각 구멍을 주기적으로 막음으로써 각 구멍을 본질적으로 빨리 열고 닫음으로써 발포제 및 유동성의 발포된 물질 전구체의 빠른 혼합을 증가시킨다. 결과적으로 주입 즉시 및 임의의 혼합 전에 유동성 폴리머 중에 발포제가 비교적 미분되고(finely-divided) 격리된 영역으로 분포된다. 이 배열에서, 약 30 rpm의 표준 스크류 회전 속도에서, 날개는 초 당 약 0.5 패스 이상, 더 바람직하게는 초 당 약 1 패스 이상, 더 바람직하게는 초 당 약 1.5 패스 이상, 더욱 더 바람직하게는 초 당 약 2 패스 이상의 속도로 각 구멍을 통과한다. 바람직한 실시태양에서, 구멍 (54)는 스크류의 시작 부분(상류 말단 (34))으로부터 약 15 내지 약 30 배럴 직경 떨어져 위치한다.
기재한 배열은 한 실시태양에 따라 실행된 본 발명의 방법을 촉진한다. 방법은 주변 조건 하에서 기체인 발포제를 약 40 lbs/h 이상의 속도로 흐르는 유동성 폴리머 물질에 도입하고, 약 1분 미만의 기간내에 폴리머 중의 발포제 유체의 단일상 용액을 생성하는 것을 포함한다. 발포제 유체는 이 배열에서 용액의 중량을 기준으로 하여 약 2.5 중량% 이상의 양으로 용액중에 존재한다. 바람직한 실시태양에서, 유동성 폴리머 물질의 유속은 약 60 lbs/h 이상이고, 더 바람직하게는 약 80 lbs/h 이상이고, 특히 바람직한 실시태양에서는 약 100 lbs/h 이상을 초과하고, 발 포제 유체을 첨가하고, 용액 중에 약 3 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 5 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 7 중량% 이상, 더욱 더 바람직하게는 10 중량%이상의 양(언급한 바와 같이, 다른 바람직한 실시태양에서는 더 적은 양의 발포제를 사용함)으로 존재하는 발포제와 1분 이내에 단일상 용액을 형성한다. 이 배열에서, 시간 당 약 2.4 lbs 이상의 발포제, 바람직하게는 CO2를 유동성 스트림에 도입하고 혼합하여 단일상 용액을 형성한다. 발포제의 도입 속도는 최적의 발포제 농도를 얻기 위해 폴리머의 유속과 맞춘다.
초임계 유동성 발포제는 또한 상이한 폴리머 물질의 빠르고 친밀한 혼합을 촉진함으로써 성형후 층간 분리가 일어남이 없이 상이한 폴리머 물질을 혼합하고 성형하는 방법을 제공한다는 점에서 장점을 제공한다. 상이한 물질은 예를 들면, 폴리스티렌 및 폴리프로필렌, 또는 폴리스티렌 및 폴리에틸렌을 포함한다. 이 상이한 물질은 전형적으로 대부분의 시스템에서 잘 혼합되고 균질한 혼합물의 형성을 방해하여, 층간분리 또는 기타 물리적 성질 감소 또는 물리적 성질 열화를 일으키는 유의하게 다른 점도, 극성, 또는 화학적 관능성을 가진다. 바람직하게는, 이 실시태양에서, 둘 이상의 상이한 성분이 존재하는데, 이 때 소량 성분은 약 1 중량% 이상, 바람직하게는 약 5 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 10 중량% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 20 중량% 이상의 양으로 존재한다.
상이한 폴리머 물질의 혼합물을 형성하기 위한 전형적인 종래 기술은 상이한 폴리머 물질을 압출하고 펠렛화하고 이를 도 1과 같은 시스템의 호퍼 (44)에 펠렛으로 제공하는 것을 포함한다. 본 발명의 이 측면에 따르면, 초임계 유동성 발포 제를 사용하는 것은 미리 혼합된 펠렛 또는 배합 장치 사용의 필요성을 제거한다. 이 측면에서, 다른 폴리머 펠렛의 혼합물, 예를 들면, 폴리스티렌 펠렛 및 폴리프로필렌 펠렛의 혼합물을 호퍼 (44)에 제공하고, 용융시키고, 초임계 유동성 발포제와 친밀하게 혼합하고, 잘 혼합된 균질한 혼합물로서 압출할 수 있다. 본 발명의 이 측면에서, 발포제, 및 상이한 물질을 포함한 다수 성분의 폴리머 물질의 단일상 용액을 하기에 명시한 유속 및 시간으로 형성할 수 있다. 본 발명의 이 측면은 압출, 본원 명세서에서 기재한 것과 같은 성형, 또는 기타 기술에 의해 층간분리에 저항하는 둘 이상의 상이한 폴리머 물질로 구성된 폴리머 물품을 형성하는데 사용할 수 있다.
기재한 배열은 사출 또는 침입 성형과 함께 본 발명의 여러 실시태양에 따라 실행되는 방법을 촉진한다. 방법은 주변 조건 하에서 기체인 발포제를 약 0.4 내지 약 1.4 lbs/h의 속도로 흐르는 유동성 폴리머 물질에 도입하고, 약 1분 이내의 기간내에 폴리머 중의 발포제 유체의 단일상 용액을 생성하는 것을 포함한다. 발포제 유체는 이 배열에서 용액의 중량을 기준으로 하여 약 2.5 중량% 이상의 양으로 용액 중에 존재한다. 일부 실시태양에서, 유동성 폴리머 물질의 유속은 약 6 내지 12 lbs/h이다. 이 배열에서 발포제 유체을 첨가하고, 용액 중에 약 3 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 5 중량% 이상, 더 바람직하게는 약 7 중량% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 10 중량% 이상의 양(언급한 바와 같이, 다른 바람직한 실시태양에서는 더 적은 양의 발포제를 사용함)으로 존재하는 발포제와 1분 이내에 단일상 용액을 형성한다. 이 배열에서, 시간당 약 2.4 lbs 이상의 발포제, 바람직하게 는 CO2를 유동성 스트림에 도입하고, 혼합하여 단일상 용액을 형성한다. 발포제의 도입 속도는 최적의 발포제 농도를 얻기 위해 폴리머의 유속과 맞춘다.
압력 감소 핵화 통로 (67)을 포함하도록 설계된 핵화기 (66)은 영역 (50)의 하류에 존재한다. 본원 명세서에서, 급속한 압력 감소와 관련하여 사용하는 "핵화 통로"는 미세 기포형 폴리머 발포체 압출 장치의 일부를 형성하고, 장치가 작동하는 조건(전형적으로 핵화기 상류의 압력이 약 1500 내지 약 30000 psi이고, 유속이시간당 약 5 lbs를 초과하는 폴리머 물질임) 하에서, 시스템에서 발포제와 혼합된 폴리머 물질의 단일상 용액의 압력이 핵화를 촉진하는 속도 또는 속도들로 특정 발포제 농도에 대한 포화압력 아래로 떨어지는 통로를 의미한다. 핵화 통로 (67)은 폴리머 물질 전구체 및 발포제의 단일상 용액을 유동성 폴리머 스트림으로 수용하기 위한 입구 말단 (69), 및 핵화된 폴리머 물질을 성형실, 또는 주형 (37)로 운반하기 위한 핵화된 폴리머 방출 말단 (70)을 포함한다. 핵화기 (66)은 영역 (50)의 하류이고 주형 (37)의 상류인 곳에서 다양한 위치에 위치할 수 있다. 바람직한 실시태양에서, 핵화기 (66)은 주형 (37)과 직접 유체 소통이 이루어지도록 위치함으로써, 핵화기가 압출기를 성형실에 연결하는 노즐을 정의하고, 핵화된 폴리머 방출 말단 (70)이 성형실 (37)의 구멍을 정의한다. 한 실시태양에 따르면, 본 발명은 핵화기를 주형의 상류에 놓는데 있다. 설명하지는 않았지만, 핵화기 (66)의 다른 실시태양은 가변적 횡단면 치수를 갖도록 설계되고 배열된 핵화 통로 (67), 즉, 횡단면을 조정할 수 있는 통로를 포함한다. 가변적 횡단면을 갖는 핵화 통로는 필요한 핵화 밀도를 얻기 위해 그곳을 통과하는 유동성 폴리머 물질의 스트림에서의 압 력 감소 속도를 변하게 한다.
한 실시태양에서, 길이에 따라 횡단면 치수가 변하는 핵화 통로를 사용한다. 특히, 하류 방향으로 횡단면 치수가 감소하는 핵화 통로는 압력 감소 속도를 유의하게 증가시킴으로써 비교적 적은 양의 발포제를 사용하여 매우 높은 기포 밀도를 갖는 미세 기포형 물질을 형성하게 한다. 이들 및 기타 예시적이고 바람직한 핵화기는 현재 계류 중인 미국 특허 출원 제08/777,709호(발명의 명칭: "미세 기포형 압출을 위한 방법 및 장치") 및 앤더슨 등의 국제 특허 출원 제PCT/US97/15088호(발명의 명칭: "미세 기포형 폴리머 압출을 위한 방법 및 장치")에 기재되어 있으며, 모두 앞에서 인용되었다.
통로 (67)이 핵화 통로를 정의하지만, 어떤 핵화는 또한 주형을 충전하는 동안 폴리머 물질에서의 압력이 매우 높은 속도로 감소할 때 주형 자체에서 일어날 수도 있다.
도 1의 시스템은 스크류 (38)의 회전운동에 의해 성형실 (37)로 들어가는 동안, 급속한 압력 감소에 의해 폴리머 물질 및 발포제의 단일상의 비핵화된 용액이 핵화되는 본 발명의 한 일반적인 실시태양을 설명한다. 이 실시태양은 침입 성형 기술을 설명하고, 이 실시태양에서, 단지 하나의 발포제 주입 포트 (54)가 이용될 필요가 있다.
다른 실시태양에서, 시스템 (30)의 스크류 (38)은 왕복운동하는 스크류이고 시스템은 사출성형 시스템을 정의한다. 이 실시태양에서 스크류 (38)은 배럴 (32) 내에서 왕복운동하도록 장착되고, 배럴 (32)를 따라 축방향으로 배열되고 각각 배 럴 (32)를 가압 및 계량 장치 (58) 및 발포제 공급원 (56)에 유체 소통이 이루어지도록 연결하는 다수의 발포제 입구 또는 주입 포트 (54), (55), (57), (59) 및 (61)을 포함한다. 주입 포트 (54), (55), (57), (59) 및 (61)은 각각 기계적 차단밸브 (154), (155), (157), (159), 및 (161)을 포함할 수 있고, 이는 발포제의 압출기 배럴 (38)로의 유동이 배럴내 왕복운동하는 스크류 (38)의 축방향 위치의 함수로 조절되게 한다. 이 실시태양에 따르면, 작동시 유동성 폴리머 물질 및 발포제의 충전물(임의의 실시태양에서는 단일상의 비핵화된 충전물일 수 있음)이 스크류 (38)의 하류 말단 (48)의 하류에 있는 영역 (50)에 축적된다. 스크류 (38)은 배럴 (32)에서 먼 쪽으로(하류로) 진행하여 영역 (50)의 충전물을 주형 (37)로 사출시킨다. 다음으로, 주형 (37)의 구멍 (70)에 가까이 위치한 기계적 차단 밸브 (64)가 닫힐 수 있고, 주형 (37)은 사출 성형된 부품을 방출하기 위해 열릴 수 있다. 다음으로 스크류 (38)은 가까운 쪽으로(배럴의 상류 말단 (34) 방향으로) 후퇴하면서 회전하고, 차단 밸브 (155), (157), (154), 및 (159) 모두가 닫히면서 차단 밸브 (161)이 열려서, 가장 먼 쪽의 포트 (61)만을 통해서 발포제가 배럴로 주입되게 한다. 배럴이 회전하면서 후퇴할 때, 차단 밸브 (159)가 열리면서 차단 밸브 (161)이 닫히고, 다음으로 밸브 (154)가 열리면서 밸브 (159)가 닫힌다. 즉, 공급원 (56)으로부터 배럴 (32)로 발포제의 주입을 조절하는 차단 밸브는 스크류 (38)이 가까운 쪽으로 후퇴할 때 발포제의 주입 위치가 배럴을 따라 가까운 쪽으로(상류 방향으로) 이동하도록 조절된다. 결과적으로 발포제는 스크류 (38)을 따라 본질적으로 일정한 위치에 주입된다. 따라서, 발포제는 배럴 내에서 스크류 (38)의 위치와 독립적으로 일정한 정도 및 기간 동안 유동성 폴리머 물질에 첨가되고 폴리머 물질과 혼합된다. 결론적으로, 하나를 초과하는 차단 밸브 (155), (157) 등은 열린 주입 포트 사이의 매끄러운 전이를 달성하고, 배럴 (38)을 따라 본질적으로 일정한 발포제 주입 위치를 유지하기 위해 동시에 열리거나 적어도 부분적으로 열릴 수 있다.
배럴 (38)이 완전히 후퇴하면(가장 최근에 주입 포트 (55)만을 통해서 발포제가 도입되면), 모든 발포제 차단 밸브는 닫힌다. 이 시점에서, 배럴의 원격 영역 (50)내에 본질적으로 균질한 유동성 폴리머 물질/발포제 혼합물이 존재한다. 다음으로 차단 밸브 (64)가 열리고, 스크류 (38)이 말단으로 밀려서 폴리머 물질 및 발포제의 충전물을 주형 (37)로 사출한다.
왕복운동하는 스크류를 포함하는 본 발명의 실시태양은 비미세 기포형 발포체 또는 미세 기포형 발포체를 제조하는데 사용할 수 있다. 비미세 기포형 발포체를 제조하는 경우, 원격 영역 (50)에 축적되는 충전물은 비교적 낮은 압력에서 폴리머 물질 중에 발포제 기포를 포함하는 다상(multi-phase) 혼합물일 수 있다. 이러한 혼합물의 주형 (37)로의 사출은 기포 성장 및 통상적인 발포체의 생성을 초래한다. 미세 기포형 물질을 제조하는 경우, 단일상의 비핵화된 용액이 영역 (50)에 축적되고 핵화가 일어나면서 주형 (37)로 사출된다.
기재한 배열은 배럴의 원격 부분 (50)에 축적된 충전물의 상이한 위치에서 유동성 폴리머 물질 중 발포제의 농도를 다르게 하는, 다른 실시태양에 따라 실행된 본 발명의 방법을 촉진한다. 이것은 불균일한 발포제 농도를 얻기 위해 차단밸 브 (155), (157), (154), (159), 및 (161)을 조절함으로써 달성할 수 있다. 이 기술에서 예를 들면, 솔리드 외부 및 발포된 내부를 갖는 물품과 같은 다양한 밀도를 갖는 물품을 제조할 수도 있다. 밀도가 다양한 부분을 갖는 물품을 형성하기 위한 기술은 도 5-7를 인용하여 하기에 더 상세하게 기재된다.
나타내지는 않았지만, 성형실 (37)은 사출하는 동안 주형내의 공기를 빼내기 위한 환기구를 포함할 수 있다. 환기구는 균일한 미세 기포형 발포가 일어나도록 사출하는 동안 기포 성장을 조절하기에 충분한 배압을 제공하기 위해 치수가 조절될 수 있다. 다른 실시태양에서, 폴리머 물질 및 발포제의 단일상 비핵화된 용액이 열린 주형으로 도입되면서 핵화된 다음, 주형이 닫히고 미세 기포형 물품을 성형한다.
다른 실시태양에 따르면, 별개의 축적기를 이용하는 사출 성형 시스템이 제공된다. 도 2에 있어서, 사출성형 시스템 (31)은 도 1에 설명된 것과 유사한 압출기를 포함한다. 압출기는 도 1의 시스템에서와 같이 왕복운동하는 스크류를 포함할 수 있다. 성형실 (37)로 사출하기 전에 용융된 폴리머 물질을 축적하기 위해 하나 이상의 축적기 (78)이 제공된다. 압출기는 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 단일상 용액을 축적기로 운반하기 위해 도관 (53)에 의해 축적기의 입구 (79)와 유체 소통이 이루어지도록 연결된 출구 (51)을 포함한다.
축적기 (78)은 하우징 (81) 내에 축적기 하우징 내에서 축방향으로(가까운 쪽으로 및 먼 쪽으로) 움직이도록 설계되고 배열된 플런저 (83)을 포함한다. 플런저는 가까운 쪽으로 후퇴해서, 축적기가 입구 (79)를 통해 폴리머 물질/발포제로 충전되게 할 수 있고, 그 다음 먼 쪽으로 밀려서 폴리머 물질/발포제 혼합물을 주형 (37)로 밀어낼 수 있다. 후퇴된 위치에 있을때, 용융된 폴리머 물질 및 발포제의 단일상 용액인 충전물이 축적기 (78)에 축적된다. 축적기 (78)이 가득찰 때, 예를 들면, 유압식(流壓式)으로 조절된 후퇴가능한 주입 실린더(도시하지 않음)와 같은 시스템이 핵화기 (66)을 통해서 축적된 충전물을 통과시키고 핵화된 혼합물을 성형실 37로 밀어낸다. 이 배열은 성형실을 충전하는 공정의 결과로서 폴리머 물질 및 발포제의 비핵화된 단일상 용액이 핵화되는 다른 실시태양을 설명한다. 택일적으로, 압력 감소 핵화기가 영역 (50)의 하류이면서 축적기 (78)의 상류인 곳에 위치하여 비핵화된 물질이 아니라 핵화된 폴리머 물질이 축적될 수 있고, 다음으로 주형 (37)로 사출된다.
다른 배열에서, 플런저 (83)의 압력이 축적기 내에서 핵화가 방지(또는 축적기에 핵화된 물질이 제공된다면, 기포 성장이 방지됨)될 만큼 충분히 높을 때, 폴리머 물질 및 발포제의 충전물(압출기로부터 축적기로 밀려날 때 비핵화되거나 또는 핵화될 수 있음)을 성공적으로 사출하기 위해 도 2의 시스템 (31)과 함께 도 1에서 설명한 것과 같은 왕복운동하는 스크류 압출기를 사용할 수 있다. 다수의 충전물을 축적기에 도입할 때, 차단 밸브 (64)가 열리고, 플런저 (83)이 먼 쪽으로 피동하여 축적기내의 충전물을 주형 (37)로 운반할 수 있다. 이것은 매우 큰 부품을 제조하는데 유리할 수 있다.
볼 체크 밸브(ball check valve) (85)는 축적기의 입구 (79) 근처에 위치하며, 물질의 축적기로의 유동을 조절하고, 압출기로의 역류을 방지하고, 비핵화된 발포제 및 용융된 폴리머 물질의 단일상 용액을 유지하는데 요구되는 시스템 압력을 유지하거나, 또는 택일적으로 도입된 핵화된 물질의 기포 성장을 방지한다. 임의로, 사출 성형 시스템 (31)은 제조율을 높이기 위해 압출기 (30) 및 성형실 (37)과 유체 소통이 이루어지는 하나를 초과하는 축적기를 포함할 수 있다.
시스템 (31)은 하기에 더 상세히 기재될 여러 추가의 성분을 포함한다.
도 3 및 4는 본 발명의 사출 성형 시스템에서의 사용을 위한 대체 실시태양에 따른 성형실을 설명한다. 도 3에서 주형 공동 (84), 온도 조절 소자 (82), 이동가능한 벽 (80), 가압 수단(도시하지 않음), 및 설명한 바람직한 실시태양에서, 입구 말단 (69) 및 주형 공동 (84)의 구멍을 정의하는 방출 말단 (70)을 갖는 핵화 통로 (67)을 포함하는 하나 이상의 핵화기 (66)을 포함하는 이동가능한 벽을 갖는 성형실 (71)을 개략적으로 설명한다. 한 실시태양에서, 이동가능한 벽을 갖는 성형실 (71)은 다수의 핵화기 (66)을 포함한다. 이동가능한 벽 (80)은 주형을 폴리머 전구체 및 발포제의 핵화된 혼합물로 충전할 때 주형의 부피를 증가시켜 주형내에서 일정한 압력을 유지하도록 조정될 수 있다. 이런 방법으로 기포 성장을 적합하게 제한하거나 조절할 수 있다.
도 4에서, 주형 공동 (84), 온도 조절 소자 (82), 압력 조절기 (86), 밀봉 장치 (92), 및 설명한 바람직한 실시태양에서, 성형실 (73)의 구멍을 정의하는 것을 포함하는 핵화 통로 (67)을 포함하는 하나 이상의 핵화기 (66)을 포함하는 기체 반대 압력 성형실 (73)을 개략적으로 설명한다. 이전에 기재한 바와 같이, 핵화 통로 (67)은 입구 말단 (69) 및 주형 공동 (84)의 구멍을 정의하는 방출 말단 (70) 을 가진다. 주형내 압력은 주형에 도입된 핵화된 혼합물에서 기포 성장을 제한하거나 조절하도록 압력 조절기 (86)에 의해 유지될 수 있다.
다양한 목적을 위해 이동가능한 벽을 갖는 주형, 가스 압력 조절기를 가진 주형, 및 주형내 온도 조절 소자의 임의의 조합을 사용할 수 있다. 논의한 바와 같이, 주형내의 핵화된 혼합물에서 기포 성장을 제한하거나 조절하기 위해 조건를 조절할 수 있다. 온도 조절 장치에 대한 다른 용도는 주형 벽의 일부, 또는 전체 주형 벽을 비교적 높거나 비교적 낮은 온도로 유지할 수 있고, 주형에서 형성된 물품의 중앙에 가까운 영역에 비교하여 벽(미세 기포형 주형 및 생성물의 표면 및 표면 근처의 영역)에 가까운 영역에서 비교적 더 많거나 더 적은 기포 성장을 일으킬 수 있다는 것이다.
본 발명의 한 실시태양에서, 비교적 두꺼운 미세 기포형 폴리머 물질, 예를 들면, 주형에서 핵화된 미세 기포형 폴리머 전구체를 확립하고, 급속히 주형을 "크래킹"하거나 열어서 폐쇄된 주형 자체의 내부보다 더 큰 부품이 형성되도록 함으로써 약 0.500 인치 이상의 두께를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하는 물질을 성형한다. 주형이 크래킹될 때, 대응하는 압력 감소로 인하여 기포 성장이 일어난다. 핵화된 혼합물이 주형 또는 엔클로저의 모양으로 부분적으로 응고되게 하여, 제1 미세 기포형 폴리머 물품을 엔클로저의 모양으로 형성하고, 엔클로저로부터 회수하고, 추가로 팽창하게 하여 엔클로저의 모양보다 더 큰 모양을 가지는 제2 미세 기포형 폴리머 물품을 형성한다. 몇몇 측면에서, 밀도 및 기포 구조를 조절하기 위해 주형의 크래킹 후에 사출 또는 융기가 계속될 수도 있다. 즉, 핵화하면서 용액 을 주형으로 도입할 수 있고, 동시에 주형을 크래킹한 다음 주형내 배압을 조절하고 최종 부품의 크기 및 기포 밀도 및 구조를 조절하기 위해 추가로 열 수 있다. 이것은 또한 본원 명세서에 기재한 유사한 이동가능한 벽을 갖는 주형으로 실행할 수 있다.
본 발명은 빠르고 주기적인 폴리머 발포 성형법을 제공한다. 사출 및 성형 후, 약 10분 미만의 기간내에, 성형실로 사출하고, 발포하고, 엔클로저의 모양으로 응고되게 하고, 회수하여 제2 핵화된 혼합물을 생성할 수 있다. 바람직하게는, 주기는 약 1분 미만, 더 바람직하게는 약 20초 미만이다. 물질의 주형으로의 도입과 응고 사이의 시간은 전형적으로 약 10초 미만이다. 낮은 주기는 발포 물질의 감소된 중량(냉각하기에 적은 질량)으로 인해 제공되고, 낮은 용융 온도는 초임계 유동성 발포제의 감소된 점도에 의해 가능하다. 낮은 용융 온도와 함께 적은 열 흡수가 부품 방출 전에 요구된다.
도 5-7에서는, 시스템 (31)을 사용하는 본 발명의 다른 실시태양을 설명하고 있으며, 지금 시스템 (31)을 더 완전하게 기재할 것이다. 시스템 (31)은 또한 압출기의 출구 (90)을 축적기 입구 (91)에 연결하는 발포제가 없는 도관 (88)을 포함한다. 축적기 입구 (91)은 축적기의 플런저 (83)의 표면에 위치한다. 기계적 차단 밸브 (99)는 도관 (88)을 따라서, 바람직하게는 출구 (90)의 근처에 위치한다. 압출기 출구 (90)은 압출기에서 발포제 입구 (54) (또는 도 1에서 설명한 압출 배열에서와 같이, 도 5-7에 기재한 것과 같은 시스템에서 그 배열을 사용하는 경우, 다수의 발포제 입구)의 상류이되, 유동성 폴리머 물질 (94)를 운반할 수 있기에 충 분한 하류에 위치한다. 도관 (88)에 의해 운반된 유동성 폴리머 물질 (94)는 발포제가 빈약한 물질이고, 발포제가 본질적으로 없을 수 있다. 따라서, 시스템은 발포제가 본질적으로 없거나 또는 감소된 발포제 농도의 유동성 폴리머 물질을 압출기로부터 축적기의 제1 입구 (91)로 운반하도록 배치된 압출기의 제1 출구 (90), 및 유동성 폴리머 물질 및 발포제의 혼합물(출구 (90)으로부터 운반된 것보다 더 높은 발포제 농도, 즉 발포제가 풍부한 물질)을 축적기의 제2 입구 (79)로 운반하도록 배치된, 압출기의 혼합영역의 하류에 있는 제2 출구 (51)을 포함한다. 축적기는 그 안의 폴리머 물질의 온도를 조절하는 가열 유닛(96)을 포함할 수 있다. 축적기는 핵화기 (66)의 입구 (69)인 출구를 포함한다. 핵화 통로 (67)을 정의하는 통로(또는 노즐)은 축적기 (78)과 성형실 (37)을 연결한다.
축적기의 제1 및 제2 입구에 위치한 볼 체크 밸브 (98) 및 (85), 및 기계적 밸브 (64) 및 (99)를 포함하는 일련의 밸브는 몇몇 실시태양에 따라 하기에 기재한 바와 같이, 각각 압출기로부터 축적기로, 및 축적기로부터 주형으로의 유동을 조절한다.
본 발명은 모든 실시태양에서 시스템을 통하여 핵화가 바람직하지 않은 경우(핵화기의 상류)에 조기 핵화를 방지하거나, 또는 핵화가 일어났으나 기포 성장이 필요하지 않거나 필요에 맞게 조절된 경우에 기포 성장을 방지하기에 충분한 압력을 유지할 수 있는 능력을 포함한다.
본 발명의 한 실시태양에 따른 방법을 실행하는 것은 발포제가 빈약한 물질을 주형으로 사출하여 거의 솔리드인 표면을 형성한 다음, 발포제가 풍부한 물질을 주형으로 사출하여 발포된 코어를 형성하는 것을 포함한다. 이것은 도 5-7을 참고로 기재될 것이다. 설명하지는 않았지만, 적절하게 조정함으로써, 이 방법은 발포된 외부 및 솔리드인 내부를 가지는 물품을 형성하는데 사용할 수 있다
도 5는 발포제를 함유하지 않거나, 또는 단지 제한된 정도로 발포제를 함유하는(물질 94) 폴리머 물질이 축적기의 먼 쪽 말단 및 축적기의 가까운 쪽 말단 모두에 제공되는 상황을 나타낸다. 즉, 발포제가 빈약한 물질 (94)가 플런저 (83)의 바로 앞 및 핵화 통로 (67) 및 핵화 통로 (67)의 바로 상류에 제공된다. 축적기에서 발포제가 빈약한 물질 (94)의 영역들 사이에 발포제가 풍부한 물질 (101)이 존재한다. 이 시점에서, 주형 (37)에 연결된 기계적 밸브 (64)가 열리고, 플런저 (83)이 하향 구동되어 축적기(78)에 있는 물질을 주형 (37)로 밀어낸다. 이를 도 6에 나타낸다. 발포제가 빈약한 물질의 제1 부분이 주형의 외부를 둘러싸고 본질적으로 솔리드인 외부 벽을 형성한 다음, 발포제가 풍부한 물질 (101)이 주형의 중앙을 채우고 주형에 들어가면서 핵화된다. 플런저 운동의 먼 쪽 경계는 축적기의 말단에 못미치는 곳에서 정지하고, 플런저의 바로 앞에 위치했던 발포제가 빈약한 물질의 영역이 이제 축적기의 먼 쪽 말단에 위치하여 축적기의 핵화 통로를 충전한다. 다음으로, 밸브 (64)가 닫히고, 생성된 부품을 주형 (37)로부터 회수한다. 기계적 밸브 (99)가 닫히면서, 도 7에 나타낸 것 처럼 플런저가 가까운 쪽으로 후퇴할 때 압출기가 구동되어 발포제가 풍부한 물질, 바람직하게는 폴리머 물질 및 발포제의 단일상의 비핵화된 용액을 축적기로 도입하게 된다. 플런저는 물질 (101)을 비핵화된 상태로 유지하면서 축적기내의 물질에 본질적으로 일정한 압력을 제공한다. 플런저가 거의 가까운 쪽 경계에 도달했을 때, 도 5에 나타낸 것처럼, 기계적 밸브 (99)가 열리고 발포제가 빈약한 물질 (94)가 플런저 바로 앞의 축적기의 구역을 충전한다. 도 5는 주형으로 사출하기 바로 전, 주기가 완료되는 것을 나타낸다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 도 5-7을 참조하면, 나타낸 바와 같이, 축적기 (78)을 발포제가 빈약한 물질 사이에 샌드위치된 발포제가 풍부한 물질로 충전할 필요없이, 발포제가 빈약한 외부 벽 및 발포제가 풍부한 미세 기포형의 발포된 내부를 가지는 사출 성형된 미세 기포형 물품을 형성할 수 있다. 이 실시태양에서, 발포제가 풍부한 물질이 주형을 충전하나, 핵화 통로 (67)을 정의하는 축적기의 가장 먼 부분은 축적기의 나머지보다 큰 정도로 가열된다. 핵화기 옆에 위치한 가열 유닛 (103)을 사용하여 이를 실행할 수 있다. 필요하다면, 핵화 통로 상류의 축적기에 있는 물질을 가열하기 위해 추가의 가열 유닛을 제공할 수 있다. 축적기의 가장 먼 부분에 있는 물질은, 축적기에 있는 충전물을 주형으로 사출할 때 고도로 가열된 부분에 있는 발포제가 폴리머로부터 빠져나와 주형에 있는 환기구(도시하지 않음)를 통해 매우 빨리 확산할 수 있을 정도로 많이 가열한다. 가장 먼 쪽에 있고, 더 많이 가열된 충전물 구역의 상류에 있는 폴리머 물질에서 기포 성장이 일어나서 발포제가 폴리머로부터 빠져나가 확산할 수 있는 것보다 더 빨리 미세 기포형 물질을 형성한다. 가열된 충전물의 가장 먼 쪽 부분은 충전물의 약 2% 이상, 또는 약 5% 이상, 또는 약 10% 이상, 또는 충전물의 약 20% 이상을 정의할 수 있고, 충전물을 성형실로 사출하기 전에 충전물의 평균 온도보다 약 10℃ 이상, 또는 충전물의 평균 온도보다 약 20℃ 이상, 40℃ 이상, 또는 80℃ 이상 높은 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 다른 실시태양에서, 핵화를 방지할 만큼 높게 주형내의 압력을 유지하면서 폴리머 물질 및 발포제의 단일상의 균질한 용액을 주형으로 사출할 수 있다. 즉, 사출은 핵화없이 일어난다. 다음으로 균질한 단일상 용액을 주형에서 동결시켜 솔리드 상태로 하고, 주형을 개방할 수 있다. 이 시점에서, 핵화 및 발포는 일어나지 않는다. 다음으로 예를 들면, 글리세린 배스에 둠으로써 성형된 물품을 가열하여 핵화 및 발포를 일으킬 수 있다.
본 발명에 따르면 다양한 물품, 예를 들면 폴리머 칼붙이, 자동차 부속품, 및 다양한 기타 사출 성형 부품과 같은 소비재 및 산업용 제품을 제조할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시태양에 따른 사출 성형 시스템 (100)을 개략적으로 나타낸다. 사출 성형 시스템 (100)은, 도 1에 나타낸 것과 유사할 수 있고 제1 상류 말단 (104) 및 성형실 (108)에 연결된 제2 하류 말단 (106)을 가지는 배럴 (102)를 포함하는 압출기를 포함한다. 상류 말단에서 구동 모터(도시하지 않음)에 작동가능하게 연결된 스크류 (110)은 배럴 (102) 내에서 왕복운동 및 회전하도록 장착된다. 유입구 (113) 및 유입구의 하류에 있는 포트인 배럴의 포트 (115)를 연결하는 측류 (114)는 순차적으로 유체 소통이 이루어지도록 연결된 용융 펌프 (116) 및 혼합기 (118)을 포함한다. 용융 펌프 (116)은 종래 기술에 공지된 기어 펌프 또는 작은 압출기일 수 있다.
혼합기 (118)은 발포제를 도입하기 위한 발포제 주입 포트 (120)을 포함한 다. 혼합기 (118)은 또한 종래 기술에 공지된 고정 혼합기 또는 공동 전이 혼합기일 수 있다. 도 8에 나타낸 배열은 이전에 기재한 것과 같은 다양한 물질 밀도를 가지는 사출 성형된 미세 기포형 부품을 형성하는데 유용한 본 발명의 다른 방법을 촉진한다. 방법은 폴리머 물질의 전구체를 압출기 배럴 (102)에 도입하고, 폴리머 물질의 전구체를 용융시키고, 용융된 폴리머 물질 (124)를 압출기 (100)의 하류 말단 (106)으로 밀어내는 것을 포함한다. 용융된 폴리머 물질 (124)가 압출기 배럴 (124)를 통해서 전진할 때, 일부가 전향해서 용융 펌프 (116)에 의해 유입구 (113)을 통해서 측류 (114)로 전진한다(예를 들면, 스크류 (110)의 먼 쪽 말단이 사이드 암 (114)의 유입구 (113)의 가까운 쪽으로 후퇴한 후). 측류 (114)에 있는 용융된 폴리머 물질이 혼합기 (118)을 통해서 전진할 때, 기체 주입 포트 (120)으로부터 발포제가 도입되고, 철저히 혼합되어 발포제 및 용융된 폴리머 물질의 단일상의 비핵화된 용액을 형성하고, 왕복운동하는 스크류 (110)이 완전히 후퇴하는 동안 도 8에 나타낸 바와 같이 포트 (115)를 통해서 측류 (114)로부터 압출기 배럴 (102)의 하류 말단 (106)으로 전진한다. 이것은 배럴의 가장 먼 쪽 말단에 발포제가 풍부한 영역 (122), 및 발포제가 풍부한 영역에 가까운 쪽에 발포제가 빈약한 영역을 생성한다. 발포제가 풍부한 물질 및 발포제가 빈약한 물질의 상대적인 양은 물질이 사이드 암 (14)를 통과하고 발포제로 농후해지는 속도에 의해 조절될 수 있다. 이어서, 스크류 (110)의 왕복운동을 이용하여 비핵화된 발포제 및 용융된 폴리머 물질 (122)의 발포제가 풍부한 단일상 용액, 다음으로 발포제가 빈약한 용융된 폴리머 물질 (124)를 성형실 (108)로 사출한다.
다른 실시태양에서, 본 발명은 본원 명세서에 기재한 사출 성형 기구 뿐만 아니라 본질적으로 임의의 배열에 따른 압출 장치에서, 발포제를 유동성 폴리머 전구체에 빠르고 효과적으로 도입하는 기술을 제공한다. 이 실시태양은 도 9에 나타낸, 발포제 공급원과 유체 소통이 이루어지도록 연결되고 압출 배럴(도시하지 않음)내에 위치가능한 스크류의 표면에 구멍을 가진, 압출 스크류를 포함한다. 구멍은 스크류의 가까운 쪽 말단의 한 위치와 같은 공급원에 연결가능한 위치로부터 통과하는 루멘의 끝을 정의한다. 바람직한 실시태양에서, 루멘은 스크류의 회전축을 따라서 스크류의 가까운 쪽 말단으로부터 수직으로 통과하고, 스크류의 표면 위에 있는 하나 이상의 구멍과 연결한다. 바람직하게는, 하나 이상의 구멍은 스크류 날개의 외부 표면에 위치하거나 또는 날개의 외부 표면으로부터 약간 들어갈 수 있고, 이러한 위치는 발포제가 배럴의 내부 표면에 대해서 전단/확산을 거치는 방식으로 발포제를 도입하게 한다. 하나 이상의 구멍은 또한 날개 사이의 영역에 위치할 수 있거나, 다양한 위치의 구멍의 조합이 사용될 수 있다. 도 9에서, 압출 스크류 (130)은 날개 (132), 및 날개 (132)의 외부 표면 (138) 위의 구멍 (136)과 소통이 이루어지게 하는 루멘 (134)를 포함한다. 루멘 (134)의 부분 (140)은 스크류의 중앙축에 있는 루멘으로부터 구멍 (136)으로 통과한다. 스크류내의 구멍에 의한 발포제 도입에 있어서의 장점은 스크류 위의 소성된 사출점으로 인하여 왕복운동하는 스크류를 사용하는 배열에서 폴리머 전구체 내에서의 발포제 양 또는 분포의 균일성이 제공될 수 있다는 것이다.
상기한 본 발명의 기술은 또한 기체 보조 공동사출에 사용할 수 있다. 이 기술에서 주형 벽 쪽의 핵화된 폴리머 물질의 외부 층 및 공동 사출된 기체로 충전된 중앙 공극을 형성하는 방법으로 기체가 용융된 스트림에 주입되고, 한편 미세 기포형 물질의 전구체는 상기한 바와 같이 주형에 도입되면서 압출되고 핵화된다. 다른 실시태양에서처럼, 기포 성장이 일어날 수 있다.
폴리머 전구체 및 초임계 유체의 단일상 용액은 특히 낮은 점도를 가지고, 이러한 방식으로 주형에 사출되고 발포된 물품으로 형성될 수 있기 때문에, 사출성형에 의해 0.125 인치 미만, 바람직하게는 0.100 인치 이하, 더 바람직하게는 약 0.075 인치 이하, 더 바람직하게는 약 0.050 인치 이하, 더 바람직하게는 약 0.025 인치 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 0.010 인치 이하의 두께 또는 횡단면 치수를 가지는 미세 기포형 폴리머 물품 또는 비미세 기포형 폴리머 발포 물품을 제조할 수 있다. 예를 들면, 초임계 유체 및 폴리머의 단일상 용액을 주형에 도입할 수 있고, 통상적으로 발포된 또는 미세 기포형 물품을 제조할 수 있다. 주형으로 사출된 유체의 낮은 점도는 상기한 바와 같이, 사출 성형의 주기가 10분 미만, 바람직하게는 5분 미만, 더 바람직하게는 1분 미만, 바람직하게는 30초 미만, 더 바람직하게는 20초 미만, 더 바람직하게는 10초 미만, 더욱 더 바람직하게는 5초 미만이 되게 한다.
본 발명은 또한 약 0.125 인치 이하, 또는 기타 실시태양에서는, 상기한 것보다 더 작은 치수의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분을 포함하고, 약 5% 이상의 공극 부피를 가지는, 성형실 모양의 성형된 미세 기포형 폴리머 물품 또는 성형된 비미세 기포형 폴리머 발포 물품의 제조를 제공한다. 바람직하게는, 공극 부피는 약 10% 이상, 더 바람직하게는 약 15% 이상, 더 바람직하게는 약 20% 이상, 더 바람직하게는 약 25% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 30% 이상이다. 기타 실시태양에서, 물품은 약 50% 이상의 공극 부피를 가진다. 이것은 매우 작은 치수를 가지는 물품에서 발포 공극 부피에 의해 폴리머 물질의 중량 감소를 제공한다는 것이 종래 기술에 대한 도전이라는 점에서 상당한 향상이다. 본 발명의 물품은 약 0.125 인치 이하, 또는 상기한 더 작은 치수의 횡단면 치수를 갖는 부분에서 상기한 공극 부피를 포함한다.
본 발명은 또한 다양한 두께 및 공극 부피를 가지는 성형된 미세 기포형 폴리머 물품 또는 성형된 비미세 기포형 발포 폴리머 물품의 제조를 제공한다.
한 조의 실시태양에서, 성형된 물품은 약 0.075 인치 내지 약 0.125 인치의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 10% 이상의 공극 부피를 포함한다. 이 실시태양의 성형된 물품은 바람직하게는 약 20% 이상, 더 바람직하게는 약 30% 이상, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 50% 이상의 공극 부피를 가진다.
다른 한 조의 실시태양에서, 성형된 물품은 약 0.125 인치 내지 약 0.150 인치의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 15% 이상의 공극 부피를 포함한다. 이 실시태양의 성형된 물품은 바람직하게는 약 20% 이상, 더 바람직하게는 약 30% 이상, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 50% 이상의 공극 부피를 가진다.
다른 한 조의 실시태양에서, 성형된 물품은 약 0.150 인치 내지 약 0.350 인 치의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 20% 이상의 공극 부피를 포함한다. 이 실시태양의 성형된 물품은 바람직하게는 약 30% 이상, 더 바람직하게는 약 40% 이상, 더 바람직하게는 약 50% 이상, 더 바람직하게는 약 60% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 70% 이상의 공극 부피를 가진다. 이 조의 일부 바람직한 실시태양에서, 성형된 물품은 약 0.150 인치 내지 약 0.250 인치의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분을 포함한다.
본 발명의 방법은 또한 0.125 인치를 초과하는, 예를 들면 0.200 인치 내지 약 0.500 인치의 두께를 가지는 사출 성형된 부품에서 본원 명세서에서 기재한 바와 같은 더 높은 중량 감소, 및 더 작은 기포의 제조를 제공한다.
본 발명은 또한 솔리드 부분을 반복하는 표면을 가진 두껍고 얇은 발포 성형된 부품을 제조하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이 부품의 표면의 적어도 일부는 육안으로 볼 수 있는 스플레이 및 소용돌이가 없다. 하기 실시예 9와 관련있는 도 16-18은 육안으로 볼 수 있는 스플레이 및 소용돌이가 없는 표면을 가지는 폴리머 부품의 형성을 나타낸다. 발포제가 그 부품의 표면으로부터 확산되어 나가서 표면이 본질적으로 기포가 없는 표피층을 포함하도록 용융물의 온도 및 주형 온도 및 발포제 농도가 최적화될 때 이러한 성형된 부품을 제조할 수 있다. 이 표피층은 본질적으로 솔리드 폴리머이므로 이 부품은 육안으로 솔리드 폴리머 부품처럼 보인다. 발포된 폴리머 물질에서 스플레이 및 소용돌이는 표면의 버블이 주형 벽을 향하여 끌어당겨지기 때문에 발생한다. 온도 조절로 인하여 표면에서 버블이 제거될 때, 스플레이 및 소용돌이는 사라진다. 이 실시태양에서, 기포가 없고 발 포 물질의 평균 기포 크기의 3배 이상의 두께를 가지는 본질적으로 솔리드인 폴리머 물질의 외부 표피를 가지는 성형된 부품을 제조한다. 바람직하게는, 외부 표피 두께는 그 물질의 평균 기포 크기의 약 5배 이상이다. 본 발명에 따라, 눈에 보이는 스플레이 및 소용돌이가 없는 성형된 부품을 제조할 수 있는 다른 이유는 초임계 유체 발포제의 확산 속도가 전형적인 발포제의 확산 속도보다 빠르고, 상기한 바와 같이, 물품의 표면에서 확산이 일어나게 해서 솔리드 표피층을 형성하게 하기 때문이라고 발명자들은 믿고 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명은 성형된 발포 폴리머 물질, 바람직하게는 얇은 구역을 가지는 미세 기포형 물질의 제조를 제공하는 것이다. 특히, 높은 길이 대 두께 비를 갖는 물품을 제조할 수 있다. 본 발명은 또한 폴리머가 약 10 미만의 용융 지수를 갖는 경우에 약 50:1 이상의 길이 대 두께 비를 갖는 사출 성형된 폴리머 물질을 제공한다. 바람직하게는, 길이 대 두께 비는 약 75:1 이상, 더 바람직하게는 약 100:1 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 150:1 이상이다. 다른 실시태양에서, 폴리머가 약 40 미만의 용융 유속을 가지는 경우 약 120:1 이상의 길이 대 두께 비를 가지는 물품을 제공한다. 이 실시태양에서, 길이 대 두께 비는 바람직하게는 약 150:1, 더 바람직하게는 175:1 이상, 더 바람직하게는 약 200:1 이상, 더욱 더 바람직하게는 250:1 이상이다. 이 문맥에서 길이 대 두께 비는 주형(노즐)의 사출 위치로부터 확장해 나가는 성형 폴리머 부품 부분의 확장 길이와 그 거리를 횡단하는 두께의 비를 정의한다.
특히 유리한 본 발명의 특징들의 조합은 비교적 높은 공극 부피의 얇은 성형 된 부품이다. 특히, 본 발명은 약 1.2 밀리미터 미만의 두께를 갖는 부분 및 30% 이상의 공극 부피를 갖는 발포 폴리머 물품을 제공한다. 다른 실시태양에서, 약 0.7 밀리미터 미만의 두께 및 15% 이상의 공극 부피를 가지는 폴리머 물품을 제공한다.
다른 한 조의 실시태양에서, 일련의 성형된 폴리머 물품을 제공한다. 이 실시태양의 폴리머 물품에서 총 기포 수의 70% 이상이 150 미크론 미만의 기포 크기를 가진다. 바람직하게는, 총 기포 수의 30% 이상이 800 미크론 미만, 더 바람직하게는 500 미크론 미만, 더 바람직하게는 200 미크론 미만의 기포 크기를 가진다. 몇몇 실시태양에서는, 총 기포 수의 80% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더 바람직하게는 95 % 이상, 더욱 더 바람직하게는 99% 이상이 150 미크론 미만의 기포 크기를 가진다. 일부 실시태양에서는, 총 기포 수의 80% 이상, 더 바람직하게는 90% 이상, 더 바람직하게는 95% 이상, 더욱 더 바람직하게는 99% 이상이 100 미크론 미만의 기포 크기를 가진다. 이 실시태양의 성형된 물품은 다양한 공극 부피를 가질 수 있다. 예를 들면, 성형된 물품은 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 40% 이상 또는 50% 이상의 공극 부피를 가질 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본원 명세서에 기재한 공극부피에서 본원 명세서에기재한 바와 같은 두께를 가지는 물품을 제공하고, 여기에서 최대 두께는 물품의 약 25% 이상에 걸쳐 존재한다, 즉, 얇은 성형된 부품의 면적의 약 25% 이상이 기재한 것 미만의 두께를 가진다. 기타 실시태양에서, 물품의 더 많은 부분이, 예를 들면 50% 또는 100%가 기재한 최대 두께 미만의 두께일 수 있다.
도 19 및 20에서는 본 발명에서는 다른 성형 시스템을 나타낸다. 이 도의 성형 시스템 (150)은 미세 기포형 폴리머 물질, 특히 폴리프로필렌 및 폴리에틸렌과 같은 미세 기포형 폴리올레핀의 사출 성형을 위해 설계된다. 시스템 (150)은 전형적인 현존 폴리프로필렌 발포체의 EPP 공정을 피하면서 비교적 두꺼운 부품의 제조를 제공한다. 시스템 (150)은 도 1, 2, 및 5-7에 나타낸 바와 같은 압출기 및(또는) 축적기에 의해 제공될 수 있는 것과 같은 성형된 폴리머 미세 기포형 물질의 전구체를 수용하도록 설계되고 배열된 입구 (152)를 포함한다. 채널 (154)는 입구 (152)와 성형실 (156)을 연결한다. 채널 (154)는 용액이 시스템이 설계된 속도로 핵화 통로를 통과할 때, 미세 기포형 핵화를 일으키기에 충분한 압력 감소 속도로 폴리머 물질 및 발포제의 유동성 단일상 용액에서 압력 감소를 생성하는 길이 및 횡단면 치수를 가지는 핵화 통로 (158)을 포함한다. 성형 시스템 및 폴리머 물질의 주형으로의 도입 속도에 대한 계획은 전형적으로 서로 결부시켜서 세워지기 때문에, 당업계의 통상의 기술을 가진 자는 시스템이 설계된 속도라는 용어의 의미를 이해할 것이다. 특히, 핵화 통로는 예를 들면 시간당 유체 40 파운드를 초과하는 속도로 통로를 통과할 때, 단일상 용액인 유동성 폴리머 물질 및 발포제에서 약 0.3 GPa/sec 이상의 압력 감소 속도를 생성할 수 있는 길이 및 횡단면 치수를 가진다. 미세 기포형 핵화에 적합한 기타 유속 및 압력 감소 속도는 본 출원을 읽음으로써 명백해진다.
채널 (154)는 핵화 통로 (158) 과 성형실 (156) 사이에 성형실 방향으로 횡단면 치수가 증가하는 기포 성장 영역 (160)을 포함한다. 채널 (154)는 또한 입구 (152)와 성형실 사이, 특히 입구와 핵화 통로 사이에 분기 부분 (162)를 포함한다. 분기 부분 (162)는 클리어런스(clearance)(높이)가 감소하는 반면, 하류 방향(성형실 (156) 쪽)으로 폭이 증가한다. 결과적으로 횡단면 면적은 크게 변하지 않는 반면, 폭이 증가한다. 특히, 분기 부분은 횡단면 면적은 약 25% 이하, 바람직하게는 약 15% 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 10% 이하로 변하는 반면, 폭은 약 100% 이상, 바람직하게는 약 200% 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 300% 이상 증가한다. 분기 부분 (162)는 물질에서 비교적 일정한 압력 프로파일을 유지하면서 통로 유량을 성형실 (156)의 폭과 동일한 치수로 넓히면서, 입구 (152)를 통한 미세 기포형 성형된 물질 전구체의 도입 및 전구체의 핵화 통로 (158)로의 운반을 제공한다.
분기 부분 (162) 및 핵화 통로 (158)의 배열은 핵화 통로가 약 1.5:1 이상, 더 바람직하게는 약 2.0:1 이상, 더 바람직하게는 약 5.0:1 이상, 더 바람직하게는 약 10:1 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 20:1 이상의 폭 대 높이 비(도 20에 나타낸 치수에 대한 도 19에 나타낸 치수의 비)를 가지게 한다. 이것은 핵화 통로가 성형실 (156)의 한 치수와 동일한 폭을 가지게 하여, 넓고 두꺼운 미세 기포형 폴리머 물품이 시스템 (150) 내에서 쉽게 핵화되고 성형되게 한다. 게다가, 시스템 (150)을 사용하여 통상적인(즉, 비미세 기포형) 발포 폴리머 물질을 사출 성형할 수 있다. 특히, 비발포된 폴리머 물질을 성형실 (156)에 사출하여 발포하게 하여, 성형실의 모양과 본질적으로 동일한 (정의상, 확장된 또는 "크래킹된" 주형을 사용하는 경우는 더 큰 것을 포함함) 모양을 가지게 할 수 있고, 물품은 둘 이상의 수직으로 교차하는 횡단축에서 0.5 인치 이상의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 50% 이상의 공극 부피를 가진다. 또한 이 시스템을 사용하여 약 0.75 인치, 1 인치, 또는 1.5 인치 이상의 임의의 더 높은 두께와 함께 60%, 70% 및 80%의 더 높은 공극 부피를 얻을 수 있다.
시스템 (150)의 분기부분 (162), 핵화 통로 (158), 및 기포 성장 영역 (160)의 물리적 배열에 의해 제공되는 한 특이한 장점은 유리한 폭 치수에서, 용액을 핵화 통로에서 급속한 압력 감소를 경험하게 해서 미세 기포형 핵화를 일으키고, 본질적으로 그 후 즉시 물질을 핵화 통로 (158)에서 용액이 경험했던 압력 감소 속도 보다 더 낮은 속도로 조절되고, 기포 성장 동안 감소하는 압력 감소를 경험하게 함으로써 기포 성장 영역 (160)에서 기포 성장을 허용하고 조절하면서, 폴리머 물질 및 발포제의 유동성 단일상 용액을 성형실에 사출하게 한다. 즉, 기포 성장 영역 (160)에서 핵화된 폴리머 물질이 경험하는 압력 감소 속도는 기포 성장 동안 감소하여 균일하고 조절된 미세 기포형 물질을 제공한다.
이전에 기재한 압출기 및(또는) 축적 기구와 함께 성형실 (150)의 사용은 EPP 및 EPS 발포체보다 더 양호한 기포 구조의 균일성을 가지는 미세 기포형 폴리머 성형 물품을 포함하는, 독특한 두껍고 넓은 폴리머 성형 물품의 제조를 허용한다. 상기한 바와 같이, EPP 및 EPS 발포체의 제조에서는 성형 후 융합선을 육안으로 쉽게 관찰할 수 있다. 반대로, 본 발명의 성형된 물품은 기포 구조에서 융합선을 가지지 않는다. 즉, 이들은 평균 기포벽 두께의 약 5배보다 더 큰 두께의 주기적 솔리드 경계(성형된 EPP 및 EPS에서의 융합선)가 없다. 바람직하게는, 물품은 평균 기포벽 두께의 약 4배, 더욱 더 바람직하게는 평균 기포벽 두께의 약 3배보다 더 큰 두께의 주기적 솔리드 경계를 가지지 않는다.
시스템 (150)은 또한 EPP 및 EPS의 스팀 체스트 성형의 전형적인 것보다 훨씬 더 낮은 주형 온도에서 미세 기포형 폴리머 물질을 포함한 두껍고 넓은 폴리머 물질을 제조하게 한다. 구체적으로, 발포된 폴리머 물질의 유동성 전구체를 약 100℃ 미만의 성형실 온도에서 성형실 (156)으로 사출할 수 있다. 다음으로, 혼합물을 성형실에서 세 개의 수축으로 교차하는 횡단축 각각에서 0.5 인치 이상의 횡단면 치수를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 50% 이상의 공극 부피 (또는 상기한 더 높은 값)를 포함하는 폴리머 물품, 바람직하게는 미세 기포형 폴리머 물품으로 응고되게 한다. 바람직하게는, 이 기술에서 주형 온도는 약 75℃ 미만, 더 바람직하게는 약 50℃ 미만, 더욱 더 바람직하게는 약 30℃ 미만이다.
시스템은 또한 약 50% 이상(또는 상기한 더 높은 값)의 공극 부피를 갖는 미세 기포형 폴리머 물질의 사출 성형 주기를 매우 빠르게 한다. 구체적으로, 주기(비발포된 물질을 사출하고, 혼합물을 성형실에서 폴리머 미세 기포형 물품으로 응고되게 하고, 주형으로부터 물품을 회수하고 반복함)를 약 1분 미만, 더 바람직하게는 약 45초 미만, 더 바람직하게는 약 30초 미만, 더욱 더 바람직하게는 약 25초 미만의 주기에서 실행할 수 있다.
물질의 성형은 원래 표피부-발포부-표피부 구조를 생성할 수 있고, 표피부-발포부-표피부 구조는 더 두껍거나 더 얇은 표피을 생성하기 위해 온도 및 기타 사출 조건에 기초하여 조절할 수 있다는 것은 당업계에 공지되어 있다. 또한 표피부-발포부-표피부의 구조는 표피가 없거나 비교적 얇은 표피를 가진 유사한 부 품보다 더 높은 강도 대 중량 비를 가진다고 공지되어 있다. "I-빔"식에 기초해서 부분적으로 성형된 표피부-발포부-표피부에서의 강도를 계산하는 것이 일반적이다. 그러나, 본원 발명자들은 임의의 표피부-발포부-표피부 성형 구조의 강도 대 중량 비와 관련한 예측 또는 계산으로 기포 크기를 고려하는 어떠한 종래 기술도 알아내지 못했다.
본 발명의 다른 특징은 매우 강하고 얇은 부품을 제조할 수 있다는 것이다. 구체적으로, 매우 작은 기포로 표피부-발포부-표피부 구조를 가지는, 매우 작은 기포를 갖는 매우 얇은 발포 부품을 형성할 수 있기 때문에, 이전에는 얇은 발포 부품의 경우에는 불가능했던, 성형된 물질에서 예상하지 못한 인장강도 대 중량 비가 얻어진다. 구체적으로, 본 발명은 약 280,000 psi/g/cm3 이상, 더 바람직하게는 약 290,000 psi/g/cm3 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 300,000 psi/g/cm3 이상의 강도 대 중량 비(강도 대 밀도로 표현됨)를 가지는 하나 이상의 매우 얇은 구역을 포함하는 성형된 폴리머 부품을 제공한다. 이 부붐의 얇은 구역은 약 0.250 인치 미만, 약 0.150 인치 미만, 또는 약 0.100 인치 미만의 두께를 가지고, 각각의 경우는 상기한 각각의 강도 대 중량비를 가진다.
임의의 이론에 의해 한정하려는 것은 아니지만, 본원 발명자들은 본 발명에 따라서 관찰되는 예상하지 못한 강도 대 중량 비는 기포 크기를 최소화하면서 얇은 구역을 횡단하는 기포벽 수를 최대화 하는 것에 기인한다고 생각한다. 즉, 비교적 더 큰 기포를 가진 얇은 표피부-발포부-표피부 구조의 횡단면을 살펴보면, 구조를 가로질러 비교적 더 적은 수의 기포벽이 존재할 것이고, 전체 발포 구조를 잇는 다리 역할을 하는 한 기포가 존재할 가능성이 있다. 이러한 다리는 구조에서 매우 약한 연결을 생성한다. 반대로, 본 발명의 미세 기포형 표피부-발포부-표피부 구조에서는 표피부 구역에서 구조를 가로지르는 기포 수 (따라서 기포벽 수)가 최대화되고, 표피 구조 사이의 발포부를 가로지르는 균일한 기포형 폴리머 망 및 균일한 강도 특성이 존재한다. 따라서, 본 발명의 얇은 부품에서 부품을 전체를 통한 평균 강도는 더 큰 기포를 가지는 구조에서의 평균 강도와 유사할 수도 있지만, 전체 구조를 잇는 다리 역할을 하는 기포 또는 공극을 나타내는 전형적인 최소의 강도를 갖는 점이 제거되기 때문에 본 발명의 물품은 더 강하다.
본 발명의 다른 특징은 불투명화제를 사용하지 않고 불투명한 물품을 제조할수 있다는 것이다. 이것은 폴리머 발포체가 빛을 회절시켜서 본질적으로 불투명하고, 백색의 외양을 갖기 때문이다. 본 발명의 특징은 통상적인 발포체보다 더 불투명하고 균일하게 불투명하다는 것이다. 이것은 음식 용기와 같이 빛에 노출될 때 파괴되기 쉬운 물질을 함유하도록 설계되고 배열된 물품과 관련해서는 큰 장점이다. 이러한 물질은 인간과 같은 동물에 의해 소비되고, 빛에 노출될 때 파괴될 수 있는 비타민을 함유하는 음식을 포함한다. 안료와 같은 불투명화제는 전형적으로 물품에 첨가되지만, 착색된 물질은 재활용성이 낮다. 본 발명은 약 1 중량% 미만의 보조 불투명화제, 바람직하게는 0.05 중량% 미만의 보조 불투명화제를 함유하고, 더욱 더 바람직하게는 본질적으로 보조 불투명화제가 없는 얇고 불투명한 물품을 제공한다. 본 발명에서 "보조 불투명화제"는 안료, 염료, 또는 특히 빛을 흡수 하도록 설계된 기타의 종류, 또는 탈크 또는 빛을 차단하거나 회절하는 기타의 물질을 정의한다. 당업계의 통상의 기술을 가진 자는 첨가제가 불투명화제인지에 대해 시험할 수 있다. 본 발명의 미세 기포형 블로우 성형된 물품은 본질적으로 고형의 백색 플라스틱 물품의 외형을 가지며, 이는 상당한 상업적 가치를 제공한다.
본 발명의 시스템은 본원 명세서에 참고 문헌으로 포함된 현재 계류 중인 미국 출원 제09/285, 948호(발명의 명칭: "압력 제한 소자를 가진 시스템을 포함하는 발포 물질의 제조방법"; 1999. 4. 2. 출원)에 기재된 바와 같은 제한 소자(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 체크 밸브와 같은 제한 소자는 사출 주기에 걸쳐서 압출기에서 폴리머 및 발포제 용액을 최소 압력 이상, 바람직하게는 폴리머 및 발포제의 단일상 용액을 유지하는데 요구되는 임계 압력 이상으로 유지하기 위해 발포제 주입 포트의 상류에 위치한다.
본 발명의 시스템은 가열된 러너(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 본원 명세서에서 "러너"는 사출 시스템의 출구 말단(어떤 실시태양에 따르면 핵화기의 출구)과 성형실을 유동적으로 연결하는, 및(또는) 예를 들면 복잡한 성형 모양이 필요한 경우에 주형 공동의 여러 부분을 유체 소통이 이루어지도록 연결하는 유체 통로를 의미한다. 러너는 당업계에 공지되어 있다. 몇몇 통상적인 발포 사출 성형 시스템에서, 러너에 남겨진 물질은 경화하고, 성형된 부분과 함께 회수된다. 본 발명은 가열된 유체의 흐름을 위한 통행로와 같은 열적 조절 유닛이라고 불리우는 러너를 제공한다. 이것은 예를 들면 경화된 물질을 회수할 때, 러너 내에서 물질중에 갭이 생성된다면 발생할 수도 있는 압력 감소를 제거하기 위해 러너 내에서 폴리머 물품 전구체 물질을 유체 상태로 유지하는 것이 유리한 본 발명의 일부 실시태양에 따르면 유용하다. 본 발명의 배열은 예를 들면, 폴리머 물질 및 발포제의 유동성 단일상 용액을 공급하기 위한 압출기, 핵화 통로, 및 이 통로의 상류에 통로와 성형실 사이에, 주형이 충전될 때 열리고 주형이 열리고 물품을 회수할 때 닫히는 밸브를 하류 말단에 포함하는 러너를 포함할 수 있다. 용융된 폴리머 물질을 사용한다면, 러너가 가열되면 러너에서 핵화된 물질은 유동성이고 주형에 사출하기에 적합할 것이다. 온도 조절된 러너를 포함하는 본 발명의 실시태양은 다양한 성분 사이에 임의의 수의 러너, 및 필요한 경우, 러너로부터 경화된 물질을 회수 및 폐기할 필요없이 주기적으로 주형 또는 주형 구역을 충전하는데 적합하게 위치한 밸브를 포함하는 매우 다양한 사출 성형 시스템에서 사용할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 실시태양의 기능 및 장점은 하기 실시예로부터 더 완전하게 이해할 수 있을 것이다. 하기 실시예는 본 발명의 이점을 나타내고자 하는 것이고, 본 발명의 전 범위를 예시하는 것은 아니다. 하기 실시예는 육안으로 볼 수 있는 스플레이 및 소용돌이가 없으며 성형실의 내부 표면에 대응하는 표면을 가지는 물품을 형성한다는 점에서, 폴리머 물질 및 초임계 유동성 발포제의 충전물을 사출 성형하는 장점을 설명한다.
도 1은 성형실의 구멍을 정의하는 핵화 통로를 가지는 압출 시스템을 포함하는 본 발명의 미세 기포형 사출 또는 침입 성형 시스템의 개략도.
도 1A는 도 1의 시스템에서 바람직한 다수 구멍 발포제 공급 구멍 배열 및 압출 스크류의 개략도.
도 2는 축적기를 포함하는 본 발명의 미세 기포형 사출 성형 시스템의 개략도.
도 3은 이동가능한 벽을 포함하는 본 발명의 성형 시스템의 성형실의 한 실시태양의 개략도.
도 4는 기체 가압 주형인 성형실의 다른 실시태양의 개략도.
도 5는 축적기를 사출 전에 충전시키는, 솔리드 벽 및 미세 기포형 내부(발포제가 풍부한 영역 및 발포제가 빈약한 영역)를 가지는 물품을 형성하기 위한 미세 기포형 물질의 축적 및 사출 성형을 위한 시스템의 한 작동 단계를 예시하는 개략도.
도 6은 사출 직후 작동 단계의 도 5의 시스템의 개략도.
도 7은 축적기를 충전하는 동안의 하나의 사출 주기 후 작동단계의 도 5의 시스템의 개략도.
도 8은 용융물 펌프, 기체 주입 포트, 및 혼합기를 포함하는, 용융된 폴리머의 발포제가 풍부한 영역 및 발포제가 빈약한 영역을 형성하기 위한 미세 기포형 사출 성형 시스템의 개략도.
도 9는 스크류 날개를 통과하고, 압출기의 배럴에서 발포제를 분배하기 위한 발포제 공급원과 유체 소통이 이루어지도록 연결된 루멘을 포함하는, 사출 성형 시스템 또는 기타 압출 시스템에서 사용하기 위한 나선형 스크류의 개략도.
도 10은 본 발명의 시스템 및 방법을 사용하여 제조된 사출 성형 물품의 현 미경 사진.
도 11은 본 발명의 미세 기포형 사출 성형 물품의 현미경 사진.
도 12는 본 발명의 다른 미세 기포형 사출 성형 물품의 현미경 사진.
도 13은 본 발명의 다른 미세 기포형 사출 성형 물품의 현미경 사진.
도 14는 본 발명의 다른 미세 기포형 사출 성형 물품의 현미경 사진.
도 15는 본 발명의 다른 미세 기포형 사출 성형 물품의 사진.
도 16은 비교하기 위한 종래 기술의 솔리드 비발포된 사출 성형 물품의 표면의 현미경 사진.
도 17은 육안으로 볼 수 있는 스플레이 및 소용돌이가 없는 매끈한 표면을 가지는 본 발명의 미세 기포형 사출 성형 물품의 표면의 현미경 사진.
도 18은 육안으로 볼 수 있는 소용돌이를 포함하는 사출 성형된 발포 폴리머 물품의 표면의 현미경 사진.
도 19는 본 발명의 다른 실시태양에 따른 성형 시스템의 평면도.
도 20은 도 19의 선 20-20을 따라 절취한 측면 횡단면도.
실시예 1
용융된 폴리머를 직경 40 mm의 플런저로 공급하는 32:1 l/d, 40 mm 가소화 유닛을 갖도록 2 단계 사출 성형기(엥겔 제조)를 설비하였다. 스프링이 장전된 볼 체크 접합자 어셈블리로 플런저 및 가소화 유닛을 연결하였다. 플런저는 전형적인 공기의 작용에 의해서 구동되는 차단 노즐을 통해서 주형에 사출할 수 있었다. 직 경 0.02 인치의 구멍 176 개를 함유하는 방사상으로 배치된 하나의 포트를 포함하는 사출 시스템을 공급 구역으로부터 직경 약 16 내지 20에 둠으로써 초임계 CO2를 사출하였다. 사출 시스템은 발포제의 질량 유속을 0.2 내지 12 lbs/h로 조절하기 위해 가동된 조절 밸브를 포함하였다.
가소화기에 통상의 제1 단계 공급, 배리어, 전이 및 계량 구역, 다음으로 발포제 균질화를 위한 다수 날개를 갖는 혼합 구역을 포함하는 2 단계 스크류를 장착하였다. 배럴에 가열/냉각 밴드를 설비하였다. 이러한 설계는 폴리머 및 기체의 균질한 단일상 용액의 균질화 및 냉각을 허용하였다.
성형 기계의 모든 부분을 움직이는데 사용되는 유압식 시스템은 언제나 1,000 psi 이상, 28,000 이하의 용융물 가압 압력을 가지도록 변형하였다. 이 기술은 주형으로의 플라스틱 사출 전에, 언제나 폴리머 및 기체의 단일상 용액을 조절하고 유지한다.
실시예 2 : 미세 기포형 폴리스티렌의 사출 성형
실시예 1에 기재한 것과 같은 성형 기계를 사용하여, 미세 기포형 폴리스티렌 플라크를 성형하였다. 폴리스티렌 펠렛(노바코(Novacor) 2282, 11 M.I.)을 가소화기에 공급하고, 대부분의 경우에서 발포제와 혼합하여 단일상 용액을 형성한 다음, 5 x 11 x 0.050 인치의 센터 게이트 플라크 주형으로 사출하여 핵화하였다. 냉각된 스프루(sprue)를 통하여 사출하였다. 공정 변수 및 기포 크기 및 중량 감소 사이의 관계를 측정하기 위해 사출 속도를 변화시켰다. 기포 크기는 최소 30 미크론 미만으로, 중량 감소는 최대 20%로 조절되었다. 표 1 및 2 및 대응 도면 10-15를 참조한다.
사출 속도가 기포 크기 및 중량 감소에 미치는 영향
사출 속도 ("/sec) 기포 크기 (미크론) 발포제 (%) 중량 감소 (%) 도면
11 기포 부재 11.9 11 10
5 100 11.9 11 11
4 10 11.9 19 12
2 10 11.9 18 13
1 30 11.9 12 -
기체 농도가 기포 크기 및 중량 감소에 미치는 영향
기체 농도 (lbs/h) 기포 크기 (미크론) 중량 감소 (%) 발포제 (%) 도면
0.9 20 내지 150 21 13.4 14
1.4 1 내지 5 23 21 15
용융 온도 = 160℃
주형 온도 = 66℃
사출 속도 = 4.0"/sec
스프루 = 직경 0.375"
실시예 3 : 미세 기포형 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 사출 성형
실시예 1에 기재한 사출 성형 기계를 사용하여, 350℉ 에서 4시간 동안 건조 후, PET (이스트맨(Eastman), 0.95 IV)를 5 x 11 x 0.200 인치 공동으로 사출하였다. 용융 공정 온도는 550℉, 주형 온도는 151℉ 였고, 12% CO2와 함께 사출하였다. 용융물 가압 압력은 3000 psi로 유지하였고, 사출 속도는 초 당 5.0 인치였다.
중량 감소는 30% 였고, 기포 크기는 직경 30 내지 40 미크론이었다.
실시예 4: 높은 중량 감소를 보이는 폴리프로필렌의 사출 성형
실시예 1에 기재한 사출 성형 기계를 사용하여, 폴리프로필렌(4 용융 유속 (MFR), 코폴리머, 몬텔(Montell) 7523), 폴리프로필렌(20 MFR, 코폴리머, 몬텔 SD-376) 및 탈크 충전 폴리프로필렌(4 MFR, 40% 탈크 충전, 몬텔 65f4-4)를 가변적 두께를 가진 5 x 11 x 인치 플라크로 성형하였다. 하기 조건을 사용하여 높은 중량 감소를 얻었다.
물질 부품 두께 (인치) 중량 감소 (%) 용융 온도 (℉) 기체 백분율 (%) 주형 온도 (℉)
7523 0.050 14.6 310 12.5 100
SD-376 0.100 30 320 12 150
65f4-4 0.100 15 330 15 200
실시예 5: 70%를 초과하는 밀도 감소를 가진 폴리스티렌 부품의 사출 성형
실시예 1에 기재한 사출 성형 기계를 사용하여, 실시예 2와 유사하나, 150℉ 내지 250℉ 범위의 주형 온도 및 3.2 내지 22.8 초 범위의 냉각 시간을 가진 조건 하에서 폴리스티렌을 성형하였다.
주형 온도 (℉) 용융 온도 (℉) 냉각 시간 (초) 솔리드 부분 밀도 (g/cc) 발포 부분 밀도(g/cc) 밀도 감소 (%)
150 250 3.2 0.88 0.37 58
250 250 22.8 0.88 0.16 82
실시예 6 : 응고된 폴리머/초임계 유체 부품의 후성형 핵화 및 기포 성장
실시예 1에 기재한 사출 성형 기계를 사용하여, 폴리스티렌(노바코 2282, 11 M.I.)을 성형하였다. 폴리스티렌 펠렛을 가소화기에 공급하고, 실시예 2에 기재한 것과 같이 사출하였다. 주형으로 사출된 물질을 주형에서 폴리스티렌의 응고 온도 미만으로 냉각하였다. 주형을 열고, 부품을 비발포된 상태로 회수하였다. 다음으로, 부품을 외부 가열원(글리세린 배스)을 이용하여 발포시켰다. 미세 기포형 물품을 생성하였다.
실시예 7: 폴리머 성형에서 점도 감소의 입증
이 실시예는 비교적 낮은 용융 온도에서, 폴리머 물질을 주형에 도입하기 위해 점도를 감소시키는데에 초임계 유체 발포제를 사용하는 것의 장점을 입증하고, 한편으로 미세 기포형 발포의 이점을 인식시킨다.
하기 사항을 제외하고는 실시예 2에 기재한 것과 같은 성형 기계를 사용하여 폴리스티렌을 성형하였다. 주형은 5 x 11 x 0.020 인치의 치수를 가졌다. 실시예 2와 동일한 조건 하에서, 폴리스티렌을 0% 발포제와 함께 사출하였다. 얻을 수 있는 최대 유동 길이는 1인치였고, 길이 대 두께 비는 50이었다. 15% 초임계 이산화탄소 발포제를 가지고 동일한 실험을 하였다. 최대 유동 길이는 5.5 인치 이상이었고, 길이 대 두께 비는 270이었다.
실시예 8: 결정 융점 미만에서 폴리프로필렌의 사출 성형
실시예 1에 기재한 사출 성형 기계를 사용하여, 폴리프로필렌 (4 MFR, 코폴리머, 몬텔 7523)을 5 x 11 x 0.050 인치 주형으로 성형하였다. 발포제가 0%인 경우, 주형을 충전하기 위해 필요한 최소 용융 온도는 430℉이다. 15% 초임계 이산화탄소 발포제인 경우, 폴리프로필렌을 정상적으로 325℉인 결정 융점 미만에서 사출하는 것이 가능하였다. 실제 용융 온도는 310℉이었다.
실시예 9: 거의 완벽한 표면을 가지는 미세 기포형 발포된 물품의 입증
실시예 2에 기재한 성형 기계를 사용하여, 폴리스티렌(노바코 2282 11 M.I.)를 성형하였다. 폴리스티렌 펠렛을 가소화기에 공급하고, CO2 발포제와 혼합하여 초임계 CO2 및 폴리스티렌의 단일상 용액을 형성한 다음, 5 x 11 x 0.050 인치 플라크 주형으로 사출하여 핵화하였다. 높은 핵화 밀도 뿐만 아니라 솔리드의 스플레이가 없는 표피를 얻기 위한 적절한 조건을 확인하기 위해 공정 조건을 최적화하였다. 이 기술의 유효성을 설명하기 위해 도 16-18에 현미경 사진을 제공한다. 도 16은 비교를 위한 것이고, 표준 비발포 사출 성형 기술을 사용하여 사출 성형된 솔리드의 비발포된 폴리스티렌을 나타낸다.
도 17은 육안으로 볼 수 있는 스플레이 및 소용돌이가 없는 매끄러운 표면을 가지는 본 발명의 미세 기포형 사출 성형된 물품의 표면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 18은 육안으로 볼 수 있는 소용돌이를 포함하는 사출 성형된 폴리머 물품의 표면을 나타내는 현미경 사진이다.
알 수 있는 바와 같이, 이상적인 조건은 용융 온도, 주형 온도 및 발포제 농도의 균형을 포함한다. 용융 온도는 용융물에서 발포제 확산 속도가 비교적 빠를 만큼 높아야 하고, 주형 온도는 용융물 밖으로의 발포제 확산이 표면에서 상당한 정도로 일어날 만큼 높아야 하나, 생성물의 뒤틀림 및 기타 찌그러짐을 피할 수 있을 만큼 낮아야 한다. 발포제 확산 속도는 용융 온도, 주형 온도, 발포제 농도, 및 차동 압력에 의존한다. 발포제의 용융물 밖으로의 확산 속도는 폴리머 표면이 냉각하고 응고하는 속도보다 커야한다.
표면 특징 도면 용융온도 (℉) 주형 온도 (℉) 사출 속도 (lps) 발포제 (%)
솔리드 외양 17 400 175 5.0 11.50
선 350 80 3.0 5.15
버블 350 80 4.4 23
표면위의 뒤틀림, 작은 버블 410 180 2.0 11.50
솔리드이나 크래킹됨 385 160 3.5 9.75
소용돌이 18 400 87 10 13.25
실시예 10
실시예 1에 기재한 사출 성형 시스템을 사용하여, 폴리프로필렌(몬텔 6823, 몬텔 6523, 및 6823과 다우의 메탈로센으로 촉매된 폴리에틸렌의 혼합물)을 1.25 x 4 x 0.600 깊이의 공동으로 사출하였다. 도 19 및 20에 나타낸 성형 시스템을 사용하였다. 1 내지 50 미크론 범위의 기포 크기를 가진 다양한 밀도를 생성하기 위해 용융 온도 및 기체 백분율을 달리 하였다. 생성된 부품은 입방 피트 당 1.8 파운드 정도로 낮은 밀도 및 20PCF 정도로 높은 밀도를 가졌다. 필요하다면, 쉽게 더 높은 밀도를 갖도록 할 수 있다. 추가로, 용융된 폴리머를 부분적으로 개방된 주형으로 사출한 다음, 크래킹하여 완전히 개방하는 크래킹 성형법을 통하여 이와 동일한 밀도 및 기포 구조를 제조할 수 있다. 각각 균일한 기포 구조를 가진 낮은 밀도의 PP 및 낮은 밀도의 PE와 PP의 혼합물을 생성하였다. 변수에 대해서는 표 6을 참조한다.
기체 (lbs/h) 기포 크기 밀도 (PCF) 용융 온도 (℉) 물질 기체 백분율
0.6 20 12.7 310 6823 14
0.6 1-15 4.9 300 6823 14
당업계의 업자는 본원 명세서에 열거한 모든 변수가 예시적인 것을 의미하고, 실제 변수는 본 발명의 방법 및 기구를 사용한 구체적인 응용에 달려있다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 그러므로, 상기 실시예는 단지 예로서 나타낸 것이고, 청구범위 및 균등물의 범위 내에서 구체적으로 기재한 것과 다르게 본 발명을 실행할 수도 있다는 것을 이해해야 할 것이다.











Claims (260)

  1. 세 개의 수직으로 교차하는 횡단축의 각각에서 1.27 cm 이상의 횡단면 치수 를 가지는 하나 이상의 부분 및 약 50% 이상의 공극 부피를 포함하며, 성형실의 모양과 본질적으로 동일한 모양을 가지는 성형된 폴리머 물품을 포함하고, 평균 기포벽 두께의 기포벽을 그 사이에 포함하고 평균 기포벽 두께의 약 5배를 초과하는 두께의 주기적 솔리드(solid) 경계가 없는 기포로 정의되는 폴리머 발포 물품.
  2. 제 1항에 있어서, 미세 기포형인 물품.
  3. 제 1항에 있어서, 평균 기포벽 두께의 약 4배를 초과하는 두께의 주기적 솔리드 경계가 없는 물품.
  4. 제 1항에 있어서, 평균 기포벽 두께의 약 3배를 초과하는 두께의 주기적 솔리드 경계가 없는 물품.
  5. 제 1항에 있어서, 성형된 미세 기포형 폴리머 물품이 폴리올레핀인 물품.
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  94. 상류 말단에 폴리머 물품 전구체를 수용하도록 설계된 입구 및 하류 말단에 출구를 가지고, 상류 말단과 하류 말단 사이에, 공급원으로부터의 발포제를 배럴에 있는 전구체에 도입하여 배럴에서 전구체 물질 및 발포제의 혼합물을 형성하기 위해 발포제 공급원에 유체 소통이 이루어지도록 연결가능한 발포제 포트를 포함하는 배럴,
    발포제 공급원에 연결된 입구 및 배럴에 연결된 출구를 가지고, 발포제 공급원으로부터 발포제 포트까지의 발포제의 질량 유속을 계량하도록 설계되고 배열된 계량 장치, 및
    배럴로부터 전구체 물질 및 발포제의 혼합물을 수용하기 위해 배럴의 출구와 유체 소통이 이루어지는 입구를 가지는 성형실
    을 포함하는 폴리머 발포 물품 제조 시스템.
  95. 제 94항에 있어서, 성형실에 의해 수용된 전구체 물질 및 발포제의 혼합물이 단일상 용액을 포함하는 시스템.
  96. 제 94항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 전구체 물질 및 발포제의 혼합물의 중량을 기초로 하여 약 0.1% 내지 25%인 시스템.
  97. 제 94항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 0.01 lbs/h 내지 70 lbs/h인 시스템.
  98. 제 94항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 0.2 lbs/h 내지 12 lbs/h인 시스템.
  99. 제 94항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 +/- 0.3% 내에서 조절될 수 있는 시스템.
  100. 제 94항에 있어서, 발포제가 이산화탄소를 포함하는 시스템.
  101. 제 94항에 있어서, 발포제가 질소를 포함하는 시스템.
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  103. 폴리머 물품 전구체 스트림을 압출 장치의 배럴 내에서 하류 방향으로 흐르도록 밀어내고,
    발포제를 발포제의 질량 유동에 의해 계량된 속도로 스트림으로 도입하여 유동성 폴리머 물질 전구체 및 발포제의 혼합물을 형성하고, 및
    유동성 폴리머 물품 전구체의 혼합물을 배럴에 유체 소통이 이루어지도록 연결된 성형실로 사출하는
    것을 포함하는 폴리머 발포 물품 제조 방법.
  104. 제 103항에 있어서, 유동성 폴리머 물품 전구체 및 발포제의 혼합물이 단일 상 용액을 포함하는 방법.
  105. 제 103항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 전구체 물질 및 발포제의 혼합물의 중량을 기초로 하여 약 0.1% 내지 25%인 방법.
  106. 제 103항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 0.01 lbs/h 내지 70 lbs/h인 방법.
  107. 제 103항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 0.2 lbs/h 내지 12 lbs/h인 방법.
  108. 제 103항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 +/- 0.3% 내에서 조절될 수 있는 방법.
  109. 제 103항에 있어서, 발포제가 이산화탄소를 포함하는 방법.
  110. 제 103항에 있어서, 발포제가 질소를 포함하는 방법.
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  259. 제 96항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 전구체 물질 및 발포제의 혼합물의 중량을 기초로 하여 약 0.1% 내지 2.5%인 방법.
  260. 제 105항에 있어서, 발포제의 질량 유속이 전구체 물질 및 발포제의 혼합물의 중량을 기초로 하여 약 0.1% 내지 2.5%인 방법.
KR1020017005551A 1998-11-04 1999-11-04 사출 성형된 미세 기포형 저밀도 폴리머 물질을 포함하는성형된 폴리머 물질 KR100572943B1 (ko)

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