KR20120001723A

KR20120001723A - 개인 및 소비자 케어 제품 및 포장재를 위한 마이크로셀 사출 성형 공정

Info

Publication number: KR20120001723A
Application number: KR1020117019417A
Authority: KR
Inventors: 제이알. 유진 피. 도허티; 키이스 에젯; 리흐-성 텅 (톰); 아담 제이. 크람슈스터; 정주 이; 크리스 레이시; 패트릭 고튼
Original assignee: 플레이텍스 프라덕츠, 엘엘씨; 위스콘신 얼럼나이 리서어치 화운데이션
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2012-01-04
Also published as: US20100198133A1; EP2393644B1; EP2393644A2; JP2012516796A; WO2010090929A3; CA2751643A1; TW201034833A; PL2393644T3; WO2010090929A2

Abstract

사출 성형의 방법으로 마이크로셀 재료를 제조한다. 이 방법에서는, 폴리머를 용융하고 초임계 유체와 혼합하여 단상 폴리머-가스 용액을 제조한다. 이 용액 노즐을 통해 몰드 안으로 주입시킨다. 노즐을 통해 주입할 때, 용액내의 가스가 (초임계 유체로부터 ) 폴리머로부터 나오고, 이것은 그후 응고된다. 용액으로부터 나올 때, 가스는 셀의 핵형성을 유발하고 이는 마이크로셀 구조를 야기시킨다. 발포 재료는 마이크로-셀의 핵형성에 의해 형성된 마이크로셀 구조를 갖는 폴리머를 포함한다. 마이크로-셀은 폴리머가 압력 저하를 받을 때, 폴리머의 액체 용액에 초임계 유체를 분산시킴으로써 형성된다. 여성 위생제품 장치는 발포 폴리머로부터 제작된다.

Description

개인 및 소비자 케어 제품 및 포장재를 위한 마이크로셀 사출 성형 공정{MICROCELLULAR INJECTION MOLDING PROCESSES FOR PERSONAL AND CONSUMER CARE PRODUCTS AND PACKAGING}

본 발명은 개괄적으로 개인 및 소비자 케어 제품에 관한 것이고, 좀더 상세하게는, 개인 및 소비자 케어 제품과 포장재에 사용하기 위한 마이크로셀 플라스틱 폼(foam)의 제조 방법에 관한 것이다.

많은 개인 제품 및 소비재와 포장은 플라스틱으로 만들어진다. 대부분의 플라스틱은 열가소성수지이다. 열가소성수지는 고체 형태일 때, 가열하면 용융하여 유동하고 냉각 시 다시 고형화된다. 이러한 과정은 반복가능하다. 한편, 어떤 플라스틱은 열경화성인데, 이것은 열과 압력 하에서 반응하거나 가교결합하고 고체를 형성하기 시작한다는 의미이다. "가교결합" 이라는 용어는 원소, 기, 또는 화합물에 의해 형성된 다리에 의해 폴리머 분자의 두 개의 사슬이 부착됨으로써, 일차 화학 결합에 의해 하나의 사슬에 있는 탄소 원자를 또다른 사슬에 있는 탄소 원자에 결합시켜 가교결합 망을 형성하는 것을 의미한다.

개인 제품 및 소비재와 포장재를 만들기 위한 각각의 타입의 플라스틱, 특히 열가소성수지의 가공 방법은 사출 성형, 블로우 성형, 압출, 열성형 등을 포함한다. 이러한 공정이 널리 사용되어 왔지만, 오늘날의 이들 공정들과 이러한 공정들로 만들어진 제품들에는 여전히 문제점들이 존재한다. 예를 들어, 고품질의 사출 성형된 물품들은 대량으로 고속으로 복잡한 몰드(금형)로 제조될 수 있지만, 특히 일회용 제품 및 포장에 있어서 수지 비용이 높다. 보다 최근에는, 유가가 상승하면서, 수지 비용이 특히 높았고 미래에는 훨씬 더 오를 것으로 예상된다. 따라서, 궁극적으로 소비자에게 전달되는 총체적인 비용을 줄이기 위해서는 원자재와 가공 둘다의 양을 직접적으로 줄이는 것이 바람직하다. 더욱이, 이러한 제품 또는 포장이 환경에 버려질 때, 플라스틱 폐기물의 양을 줄이는 것이 도움이 될 것이다.

그러나, 사용된 이러한 수지의 양을 줄이는 것에는 한계가 존재한다. 물품의 구조적 온전함을 나타내는 기계적인 성질은 (율(계수), 강성, 충격 강도, 등과 같은) 일반적으로 부분 두께 (및 중량)이 특정 역치를 넘어서 감소되면 제대로 발휘되지 못한다. 따라서 물품은 최종 사용에서든 또는 공급망에서 맞닥뜨릴 취급 및 수송 단계 동안에서든지, 그들이 받게 될 것으로 예상되는 전형적인 힘과 압력에 부응하고 견디도록 치수화된다. 너무 경량인 물품은 그러한 힘과 응력 하에서 구부러지고,뒤틀리고, 찢어지고 또는 달리 변형될 경향이 있다.

특정 부분의 중량은 가스를 추가함으로써 줄일 수 있고 (그리고 그러므로 수지의 양을 줄일 수 있다) 공기와 수지로 구성되는 "발포" 부분을 제조할 수 있다. 예를 들어, "가스-보조" 사출 성형 공정은 고온으로 가열된 재료 안에 가스가 도입되는 곳에 존재한다. 가열된 재료 안에 가스를 도입함으로써, 수지 재료가 대체되고 재료의 부피가 증가한다. 이로써 부품은 감소된 양의 수지( 및 더 낮은 중량)을 갖게 되고 기계적인 물성을 보유하면서도 낮은 비용을 가질 수 있게 된다.

그러나 불행히도, 가스-보조 성형 가공은 다른 비용이 고가이고 가스 채널로서 내장(built-in) 후벽(thick-walled) 섹션을 허용하는 후벽 부품에 주로 한정된다. 보다 구체적으로는, 가스-보조 성형 가공의 역량 및 그것과 관련된 제작 공차는 일반적으로 공기나 어떠한 다른 충전 가스를 함유하는 움푹 패인 용적을 함유하는 세벽(thin-walled) 부품을 만들기에 불충분하다. 종종 개인 및 소비자 케어 제품에 사용된 부품들은 세벽 기하학 구조를 갖는다. 예를 들어, 탐폰 어플리케이터(applicator)에 사용된 페탈(꽃잎부)은 일반적으로 매우 얇고, 최소와 힘으로 탐폰 가제를 꺼내기 위해서는 약 0.010 인치 이하의 두께가 바람직하다. 공기 공극의 크기의 최소한의 제어가 있기 때문에, 세벽 페탈의 그러한 아주 작은 채널을 움푹하게 파내는 것은 매우 어렵다. 따라서, 뛰어난 몰드 디자인과 최적화된 공정을 가지고도, 우수한 부품 품질, 재현가능한 부품 치수, 최소의 부품 뒤틀림 및 수축을 유지하는데 문제점이 있다.

발명의 개요

일 양태에 있어서, 본 발명은 사출 성형의 방법에 관한 것이다. 이 방법은 여성 위생제품 장치와 같이 다양한 세벽 구조로 성형될 수 있는 마이크로셀 재료를 제조한다. 이 방법에서는, 폴리머를 용융하고 초임계 유체와 혼합하여 단상 폴리머-가스 용액을 제조한다. 그다음 이 단상 폴리머-가스 용액을 노즐을 통해 몰드 안으로 주입시킨다. 노즐을 통해 주입할 때, (초임계 유체로부터의) 폴리머 용액에 있는 가스는 폴리머 용액으로부터 나오고 폴리머는 응고한다. 폴리머 용액으로부터 나올 때, 가스는 핵형성과, 그다음 마이크로셀 구조가 되는 셀의 성장을 촉진한다. 단상 폴리머-가스 용액은 초임계 유체의 첨가 후와 노즐을 통한 단상 폴리머-가스 용액의 주입 전에, 순(아무것도 섞지 않은) 폴리머 또는 플라스틱의 용융점보다 약 20 ℃ 이상 더 높은 온도에서 유지된다.

또다른 양태에서, 본 발명은 발포(foam) 재료에 관한 것이다. 이 발포 재료는 핵형성과 이후의 마이크로-셀의 성장에 의해 형성된 마이크로셀 구조를 갖는 폴리머를 포함한다. 마이크로-셀은 액체 형태의 폴리머가 사출 성형 동안에 일어나는 갑작스런 압력 저하와 같은, 열역학적 불안정 상태를 겪게 될 때, 폴리머의 액상 용액에 초임계 유체를 분산시킴으로써 형성된다.

또다른 양태에서, 본 발명은 발포 폴리머로부터 제작된 여성 위생제품 장치 에 관한 것이다. 폴리머는 폴리머가 응고될 때 용융 형태의 폴리머로부터 초임계 유체의 분산에 의해 제조된, 마이크로셀 구조를 갖는다.

또다른 양태에서, 본 발명은 여성 위생제품 장치를 사출 성형하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법에서, 베이스 폴리머는 예를 들어, 펠릿 형태로 호퍼를 통해 압출 장치에 제공된다. 이러한 베이스 폴리머는 열가소성 수지와, 이를 테면 착색제, 윤활제, 슬립제, 가공 보조제 등의 적어도 하나의 다른 첨가제를 포함할 수 있다. 초임계 유체가 또한 압출 장치에 첨가되고, 베이스 폴리머와 초임계 가스가 결합된다. 그 다음 결합물이 몰드 안으로 주입되어 성형된 여성 위생제품 장치를 제공하는데, 이 위생 장치는 실질적으로 연속적인 열가소성 상 매트릭스를 가지게 된다.

하나의 이점은 초임계 유체가 수지에 가소성을 부여하는 것을 돕고, 그로인해 수지와 초임계 유체의 믹스의 총체적인 점도를 줄이며 (또한 그것의 전이 온도를 감소시킴), 따라서 본 발명의 방법을 사용하여, 선행기술의 공정보다 더 낮은 온도와 클램프(clamp) 압력에서 부품들을 만들 수 있다는 것이다. 더 낮은 온도와 점도는 (1) 믹스가 공동(구멍)을 채우기 위해 충분히 낮은 점도를 가지고, 제거하기에 더 적은 열과 함께, 더 낮은 온도에서 주입됨으로써, 따라서 더 적은 양의 열을 제거하기 위해 더 적은 냉각 시간이 필요하게 되고, (2) 믹스로부터 가스가 나오고 분산할 때, 수지는 그것의 전이 온도를 다시 회복하여, 그로써 재료는 신속하게 유리화(따라서 경화됨)될 수 있기 때문에, 더 높은 생산성을 촉진한다. 게다가 , 핵형성과 믹스의 셀의 성장은 효과적으로 몰드를 가득 채우고, 따라서 몰드를 채우는데 사용되는 싸이클 시간이 감소되거나 삭제된다. 더욱이, 냉각 몰드와 데워진 부품 사이의 온도 차이가 감소되기 때문 뿐 아니라, 셀 핵형성과 성장이 흡열 공정이기 때문에, 부품을 냉각하기 위한 시간이 감소된다.

이 공정의 또다른 이점은 다수의 다른 타입의 폴리머 수지에 사용될 수 있다는 점이다. 지금까지 대부분의 작업이 폴리아미드에 초점이 맞춰졌었지만, 마이크로셀 발포 가공 공정은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 고무, 등에 사용될 수 있다. 이 공정은 또한 폴리락티드, 폴리알카노에이트 그리고 심지어 열가소성 전분-기반 블렌드과 같이 생분해성, 수세가능한 수지에 대해서도 사용될 수 있다.

또다른 이점은 이 공정이 상당히 중량이 감소된 부품을 제조할 수 있게 해주며, 이는 제조된 부품이 보다 경제적으로 수송가능하며 적은 재료를 사용함으로써 돈을 절약할 수 있다는 것을 의미한다. 더구나, 제작된 부품의 심미적이고 기계적인 성질이 종래의 보다 많은 비용이 드는 공정에 의해 제조된 부품들의 성질과 견줄만하면서도, 더 적은 재료는 단축된 싸이클 시간을 의미한다. 본 발명의 공정에 의해 제조된 부품의 중량 감소는 (종래의 사출 성형 공정과 비교할 때) 일반적으로 약 0.5% 내지 약 30% 그리고 바람직하게는 약 10% 내지 약 20% 이다.

도 1은 본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정을 수행하기 위한 장치의 도식화 그림이다.
도 2는 주사형 전자 현미경(SEM)으로 찍은 발포 폴리머의 영상이다.
도 3은 중간 배럴 온도에서 생산된 마이크로셀 저-밀도 폴리에틸렌 (LDPE) 샘플의 셀 형태를 보여주는 SEM 영상이다.
도 4는 높은 배럴 온도에서 생산된 마이크로셀 LDPE 샘플의 셀 형태를 보여주는 SEM 영상이다.
도 5는 2개의 인장봉(bar)의 사진이다.
도 6은 마이크로셀 LDPE 샘플의 셀 형태의 고배율 SEM 영상이다.
도 7은 Zygo^TM Optical(광학) Profiling System (Zygo Corporation, Middlefield, Connecticut으로부터 입수가능)을 사용하여 찍은 종래의 사출 성형된 부품의 표면 프로파일의 영상이다.
도 8은 Zygo^TM Optical(광학) Profiling System (Zygo Corporation, Middlefield, Connecticut으로부터 입수가능)을 사용하여 찍은 마이크로셀 사출 성형된 부품의 표면 프로파일의 영상이다.
도 9는 컴퓨터 시뮬레이션의 컴퓨터 스크린 영상이다.
도 10은 도 9의 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 수행된 실험의 도식화 그림이다.
도 11은 마이크로셀 사출 성형 공정 (몰드 위에 150 미크론 테플론 코팅)으로부터 얻은 나란히 있는 몇개의 인장봉의 사진이다.
도 12는 마이크로셀 사출 성형 공정 (몰드 위에 75 미크론 테플론 코팅)으로부터 얻은 몇개의 인장봉이 나란히 있는 사진이다.
도 13은 성형된 탐폰 어플리케이터 외통(barrel) 부분의 꽃잎모양 말단부의 측면도이다.
도 14는 탐폰 어플리케이터 외통 부분의 손잡이 부분을 위한 몰드의 단면도이다.
도 15 는 본 발명의 공정에 의해 제조된 탐폰 어플리케이터 외통 표면의 사진이다.
도 16는 도 15의 탐폰 어플리케이터 외통의 표면의 확대 영상이다.
도 17은 본 발명의 공정에 의해 제조된 탐폰 어플리케이터 외통의 일부분의 꽃잎모양의 사진이다.
도 18 은 본 발명의 공정에 의해 제조된 탐폰 어플리케이터 외통의 손가락 손잡이 부분의 기하학적 구조의 광학 현미경사진이다.

바람직한 실시예의 상세한 설명

본 발명의 일 실시예에서, 마이크로셀 사출 성형 공정은 발포 부품을 제조하기 위해 하나 이상의 초임계 유체를 사용한다. 이 공정에서, 초임계 상태의 대기 가스 (보통 질소 또는 이산화탄소)를 수지와 혼합시킨다. 본원에서 사용된, 용어 "수지"는 두 가지 이상의 물질 사이의 화학 반응으로부터 기인한 폴리머를 의미한다. 용어 "수지"와 "폴리머"는 이후에 상호교환가능하게 사용된다. 본 발명에서, 가스는 폴리머 용융물과 기계 배럴 안에서 혼합되어 단상 폴리머-가스 용액을 생성한다. 이 단상 폴리머-가스 용액은 노즐을 통해 몰드 안으로 주입되고 여기서 폴리머는 고체가 된다. 노즐을 통해 주입될 때, 갑작스런 압력 하락이 일어나는데 이는 폴리머 용융물로부터 가스를 나오게 하여 다수의 (일반적으로 플라스틱의 입방 센티미터 당 약 1 백만 내지 약 1 십억 핵형성 장소) "마이크로셀"을 핵형성(응집)시킨다. 유체에 관하여 본원에서 사용될 때 용어 "초임계"는 그것을 넘어서는 액체 증기 변환이 불가능한 가장 높은 압력과 온도를 의미한다.

본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정은 제한하는 것은 아니지만, 소비자와 개인 케어 제품 및 포장용 부품을 포함하여, 다양한 발포 부품을 제조하는데 사용될 수 있다. 특히, 전통적인 사출 성형을 위해 설계된 특정한 발포 부품을 위한 몰드와 제제는 개선된 성형 부품을 만들기 위해, 적합한 마이크로셀 발포 공정을 신속하고 합리적으로 개발하기 위한 기초를 제공한다. 본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정이 이용될 수 있는 제품은 한정되지는 않지만, 탐폰 어플리케이터와 같은 여성 위생제품 장치와 이러한 장치를 위한 포장재를 포함한다.

본 발명의 공정에서 사용될 수 있는 수지는 사실상 열가소성 또는 열경화성 둘 중 하나가 될 수 있다. 반복하여 가열되고, 용융되고, 응고되고 그리고나서 재-용융되는 그들의 능력때문에, 열가소성 수지가 바람직하며, 이는 그들이 혼입되는 장치가 재활용가능하게 만든다.

그러나, 열경화성 수지의 사용은 일반적으로 열가소성수지의 특징인 가열, 용융, 및 응고 공정의 역전 및 반복을 억제하는, 그것의 가교결합 때문에 덜 바람직하다. 열경화성 수지를 가열할 때, 재료는 일반적으로 가교결합 망 때문에, 열가소성처럼 연화되지는 않을 것이다. 과도한 양의 열을 열경화성 수지에 가할 때, 가교결합 구조는 타버리고 깨질 수 있다. 따라서, 열경화성 재료는 일반적으로 그것이 가교결합하고 경화된 후에는 재용융되고 재성형될 수 없다. 또한, 열경화성 수지는 본 발명의 장치, 조성물 및 공정에 바람직한 사출 성형에 덜 적합하며, 압출되기 더 쉽다.

이 공정에서 사용될 수 있는 한가지 수지는 적어도 약 70% 및 바람직하게는 적어도 약 80%의 농도에서의 저-밀도 폴리에틸렌 (LDPE)이다. 그러나, 본 발명은 이 점에서 한정되지 않고, 다른 수지도 사용될 수 있다. 한편, LDPE는 현재 낮은 비용, 몰딩(성형)의 용이함, 그리고 상당히 좋은 기계적 성질 때문에 바람직하다. 탐폰 또는 다른 여성용 케어 제품과 함께 사용될 때, LDPE는 특히 탐폰 어플리케이터의 용이하고 편안한 삽입을 가능케하는 것과 관련하여, 뛰어난 마찰계수 값을 발휘한다. 사용할 수 있는 다른 수지는 이들로 한정되는 것은 아니지만, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 다른 폴리올레핀, 폴리올레핀와 다른 열가소성수지의 블렌드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 고무, 폴리락티드, 폴리알카노에이트, 위에서 언급한 수지 타입들로 구성된 co- 및 ter-폴리머, 및 열가소성 전분-기반 수지 블렌드를 포함한다. 폴리락티드, 폴리알카노에이트, 및 열가소성 전분-기반 수지 블렌드는 재생가능하고 (지속가능하며), 수세가능 및/또는 생분해성이 될 수 있으며, 따라서 폐기물 스트림에 대한 최소의 환경 영향을 나타낸다.

대기 가스로서 사용할 수 있는 한가지 초임계 유체는 질소이다. 질소는 상대적으로 비활성인 것으로 간주되며 대부분의 수지에서 양호한 용해성과 상당히 높은 확산도를 제공한다. 또한, 질소는 상당히 낮은 압력과 온도에서 초임계 성질을 획득한다. 예를 들어, 질소에 대한 임계 온도는 126.2 도 K이고, 그것의 임계 압력은 3.39 메가파스칼 (Mpa)이다. 게다가, 질소는 현재 비용이 낮고 상당히 쉽게 얻을 수 있다. 본 발명의 하나의 본보기 공정에서, 초임계 유체로서 질소의 탑재는 약 0.04 중량 퍼센트 (wt.%) 내지 약 1 wt.%이고, 0.05 wt.% 내지 약 0.45 wt.% 이 바람직하며, 0.1 wt.% 내지 약 0.35 wt.% 이 가장 바람직하다. 이 공정에 사용될 수 있는 다른 초임계 유체는 이들로 한정되는 것은 아니지만, 이산화탄소, 질소와 이산화탄소의 블렌드 등을 포함한다.

초임계 유체가 질소, 이산화탄소, 또는 어떤 다른 가스이던지에 상관없이, 가스 형태로의 초임계 유체의 사용은 보다 정확한 주입(dosing)과 수지에서 초임계 유체의 양호한 용해성을 가능하게 한다. 따라서 유핵 셀은 예측가능한, 제어된 형태로 성장하여, 기계적 성질 또는 부품 심미학의 희생을 최소화하면서 부품 중량을 줄일 수 있다. 가스-보조 사출 성형과는 대조적으로, 이 공정은 0.01 인치만큼 얇은 벽에서 미크론-크기의 공극인, 마이크로-셀을 제조하는 것을 가능하게 만든다. 최종 부품의 기계적 성질은 셀 크기, 셀 밀도 및 셀 구조의 균질성에 의해 직접적으로 영향을 받으며, 이들 모두는 제어가능하다.

마이크로셀 사출 성형 공정의 수지 안에 다양한 첨가제를 혼입할 수 있다. 이러한 첨가제는 제한하는 것은 아니지만, 최종 사용자들에 의해 선호되는 색상을 얻기 위해 사용되는 착색제 (예를 들어, 군청색, 퀴나크리돈 보라색), 안료 (예를 들어 안료 옐로우(Pigment Yellow) 180, 안료 그린(Pigment Green) 7, 등), 염료, 및 유백체 (예를 들어 이산화티타늄)를 포함한다. 진주광택(Nacreous) 안료 (진주광택(pearlescent) 재료) 및/또는 운모를 또한 첨가하여 심미적 우수함을 향상시킬 수 있다. 고온 프로세싱 및 열적 안정성을 보조하기 위해, 간섭(hindered) 페놀 (예를 들어, BHT, Irganox^TM (Ciba) 1010, Irganox^TM 29 등) 및 디라우릴디티오프로피오네이트와 같은 산화방지제를 사용할 수 있다. 내연제 또한 첨가할 수 있다. 또한 스테아르산 아연, 에루카마이드(erucamide), 에틸렌 비스 스테아라미드 등과 같은 윤활제, 안료 분산제 및/또는 다른 프로세싱 보조제 (예를 들어, 몰드 이형제)를 첨가하여, 특히 여성 위생제품 장치, 쉽고 편하게 삽입되는 제품들에 관하여, 성형된 재료의 매끄러움 및/또는 심미성을 개선할 수 있다. 또한 탄산칼슘과 같은 무기물 충전제를 첨가하여 총체적인 비용을 줄이는 것은 물론 강도를 제공할 수 있다. 충격 성질 및/또는 유연성/탄성을 변경하기 위해 충격 개질제 및/또는 열가소성 탄성중합체 또한 첨가할 수 있다.

추가적으로, 마이크로셀 사출 성형 공정을 개선하고 최적하화기 위해 다른 첨가제를 수지 안에 혼입할 수 있다. 특히, 나노미터-크기의 점토 입자들을 수지에 첨가할 수 있다. 이들 입자들은 셀 핵형성을 촉진하는 작용을 할 뿐 아니라 작고, 재생산가능한 셀 크기를 갖는 나노-복합물 폼(foam)을 제조하도록 작용한다. 점토의 박리 효과와 그것의 계면의 성질의 조합이 종합적으로 셀 핵형성을 촉진하고 성장 속도를 감소시키는 경향이 있어 그로인해, 폼 안에 잘 분산된, 작고, 균일한 크기의 "마이크로-기포"를 만들어내고, 이는 전반적으로 보다 안정적인 마이크로셀 공정과 낮은 부품 중량에서 증대된 제품 성질을 제공한다. 결과로 생긴 마이크로-기포는 직경이 약 1 미크론 내지 약 200 미크론이고, 보다 바람직하게는, 약 3 미크론 내지 약 20 미크론이다. 수지에 첨가되는 나노미터-크기의 점토 입자들의 양은 최대 약 10 wt.% 까지이고 3-5 wt.% 가 바람직하다.

본 발명은 앞서 말한 첨가제들의 포함으로 한정되지는 않으며, 위에서 열거하지 않은 다른 것들도 또한 사용될 수 있다. 공정에 혼입될 수 있는 어떠한 첨가제들이 하나의 배치에 함께 조합될 수 있고 ("컬러 농축물"로 또한 알려짐) 그후 수지와 함께 첨가되어 심미적이고 기계적 성질의 원하는 균형을 제공할 수 있다.

수지의 블렌드 또는 특별한 등급의 수지는 또한 본 발명과 관련하여 유용할 수 있다. 대안적인 수지 또는 수지 블렌드의 사용은 이점을 제공할 수 있으며, 이는 관련이 될 수도 있고 관련이 없을 수도 있다. 첫번째 이점은 점도에 관련되며, 두번째 이점은 계면의 성질에 관련한다. 둘다 성형된 부품들의 표면 품질 및/또는 다른 특징들을 개선하는 경향이 있다. 점도 이점에 관하여, 본 발명에서 사용된 초임계 유체는 낮은 점도를 가지기 때문에, 그것은 가소제로서 작용을 하여 전반적인 점도를 낮출 수 있다. 따라서 종래의 사출 성형에 사용된 수지들보다 더 낮은 점도를 가지는 수지 또는 블렌드의 사용은 신중해야 한다. 몰드는 보다 빨리 채워질 것이고 점도는 초임계 유체의 그것과 좀더 긴밀하게 조화될 것이다. 계면의 성질 이점에 관하여는, 대체가능한 수지 또는 수지 블렌드의 사용은 계면 에너지 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 소량의 폴리프로필렌을 LDPE에 첨가하면, 마이크로셀 발포 공정에서 제조된 성장하는 마이크로-기포에 비해서, 수지의 핵형성을 위한 자유 에너지 장벽과 계면 에너지 둘다를 낮추는 것으로 밝혀졌다. LDPE에 폴리프로필렌의 첨가는 또한 마이크로셀 기포성에 크게 영향을 줄 수 있는 LDPE의 결정도와 용융 강도를 바꿀 수 있다. 기포와 수지 사이의 계면 에너지를 보다 긴밀하게 조화시킴으로써, 마이크로-기포는, 용융물 앞쪽 발달로서 표면으로 이동하여 표면 결함을 유발하기 보다는, 수지와 보다 용이하게 혼합되어 매끄럽고, 심미적으로 만족스러운 부품을 생산해낼 것이다.

또한, 몰딩 온도를 종래의 사출 성형 공정에서 사용된 온도보다 약간 낮추면 몇가지 이점을 제공한다. 특히, 온도를 낮추는 것은 보다 이로운 계면 에너지 균형을 가능하게 한다. 또한, 마이크로셀 발포 성형 가공에 의해 제공된 더 낮은 점도는 약간 더 낮은 온도에서 부품의 몰딩을 가능하게 하고, 이는 종래의, 더 높은 온도 사출 성형에 비해, 에너지 효율을 향상시킨다.

몰드 벽 위에 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)과 같은 절연 재료의 얇은 층 또는 코팅의 도포는 본원에서 개시된 공정에 의해 만들어진 부품의 표면 품질을 개선시키는데 유용한 방법인 것으로 나타났다. 특히, 몰드 벽에서의 폴리머의 온도 가 폴리머의 결정화 온도보다 더 높을 때, 소용돌이와 같은 표면 결함이 감소되거나 제거된다. 보다 구체적으로는, 얇은 (예를 들어, 약 3.2 mm) 중공 몰드 위에 PTFE 또는 퍼플루오로알콕시 PFA 테플론 (이후에 PFA)와 같은 플루오로폴리머의 150 미크론 코팅을 사용하면 이러한 결과를 달성하는 실질적으로 균일한 몰딩 온도를 제공한다. 사실상, 차후의 실험과 분석은 몰드를 충진하는 동안 그 온도가 몰드 벽에서의 결정화 온도 보다 높으면 표면 품질 문제들이 제거될 수 있고, 이는 몰드 벽에 도포된 얇은 층의 PTFE을 사용함으로써 달성되었다는 것을 보여주었다.

게다가, 또한 몰드 벽의 표면 마감칠(finish)은 종래의 사출 성형보다 상당히, 최종 부품의 표면 마감칠을 반영하는 것으로 결정되었다. 이러한 이유로, 예를 들어, 광내기(연마)함으로써 몰드의 마감칠을 개선하는 것은 또한 최종 성형된 부품의 표면 마감칠을 크게 개선할 수 있다. 이러한 방식으로 표면을 향상시키는 것은 (무광 처리를 이용하는 대신에 표면을 연마함으로써) 종래의 사출 성형 공정과 비교할 때, 본 발명의 공정에 대해서 표면이 다르게 거동하게 만든다.

본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정이 수행되는 온도는 사용된 수지에 의존한다. 그러나, 일반적으로, 공정이 수행되는 온도는 종래의 사출 성형 공정에서 사용된 온도보다, 섭씨 10 내지 50 도 더 낮다. 실제 몰딩 온도는 제품과 몰드 디자인에 따라 폴리머의 융용점을 넘어 섭씨 10 내지 60 도의 범위가 될 수 있다 . 온도의 바람직한 감소는 (종래의 몰딩에 비해) 섭씨 5 내지 25 도이다. 본 발명의 일 실시예에서, 몰딩 탐폰 어플리케이터 외통의 본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정은 섭씨 217 도에서 수행된다. 참고로, LDPE-기반 탐폰 어플리케이터 외통의 고속 몰딩은 일반적으로 섭씨 224 도에서 수행된다. 이 온도에서, 핵형성의 증가가 더 낮아진 표면 장력으로부터 기인하고, 그로인해 셀 핵형성을 위한 활성화 에너지 장벽을 감소시킬 것으로 예상된다.

어떤 특정한 이론에 의해 제약되는 것을 바라지는 않지만, 온도를 낮추면 초임계 유체의 존재가 거기에 주입되는 초임계 유체가 없는 수지 제제에 비하여, 주입된 용융물의 점도를 낮추고, 이것은 그로인해 더 낮은 온도에서 작동이 가능케하고 열 전달 효율을 향상시키는 것으로 가정된다. 그러나, 어떤 점에 이르면 용융물의 점도가 수습할 수 없게 높아지기 때문에, 이러한 작업을 위한 하한 온도에 대한 한계가 존재한다. 낮아진 표면 장력으로부터 기인하는 핵형성의 증가가 예상되고, 그로인해 셀 핵형성을 위한 활성화 에너지 장벽을 감소시키기 때문에, 대략 섭씨 190 도 이상에서 공정을 수행하는 것이 더 낮은 온도에서보다 더 많은 기포의 핵형성을 야기시키는 경향이 있다. 제조된 기포의 셀 크기는 약 1 미크론 내지 약 200 미크론이고, 약 3 미크론 내지 약 20 미크론이 바람직하다.

한편으로, 너무 높은 몰딩 온도는 불량한 용융물 강도를 초래할 수 있으며, 이는 셀들이 핵을 이루어 신속하게 융합하게 하고, 아주 큰 공기 주머니를 형성("거대-기포")시키고 소용돌이나 모래같은 질감과 같이 바람직하지 않은 표면 특징들을 야기시킨다. 이러한 문제들은 결국, 불량한 치수 안정성, 불량한 심미감, 및 나쁜 색상 균일성을 초래한다.

본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정을 위한 싸이클 시간은 몰드 개방 및 폐쇄 시간, 충진 시간, 패킹 시간, 냉각 시간 및 부품 방출 시간에 의해 결정된다. 노즐의 수축(철회)를 위한 시간은 물론이고, 수지가 주입되는 러너 시스팀에서 폐문과 연관되는 시간과 같이 다양한 장비 이동을 위한 시간들은 또한 전체 싸이클 시간 (몰드 개방에서부터 부품 방출까지의 시간)에 영향을 줄 수 있다. 몰딩 공정에서, 이들 싸이클 시간은 탐폰 어플리케이션 통과 같은 일회용, 다량의 발포 제품들에 대해서 상대적으로 짧다(종래의 성형 가공과 비교하여). 싸이클 시간은 적어도 두가지 이유 때문에 짧다. 첫째로, 몰드 패킹과 홀딩에 필요한 시간이 실질적으로 0이다. 보다 구체적으로는, 몰드는 성장하는 마이크로셀 안으로 가스가 확산될 때 패킹되고, 따라서 재료 수축을 상쇄시킨다. 둘째로, 열 전달 부하(load)가 줄어든다. 이러한 이유를 근거로, 본 발명의 공정을 사용한 발포 제품 (탐폰 어플리케이션 통과 같은)의 제조에 있어서, 3 내지 100 초의 전체 몰딩 싸이클 시간을 겪게 된다. 바람직한 싸이클 시간은 3 내지 20 초이고, 4 내지 15 초의 싸이클 시간이 보다 바람직하다. 수지와 초임계 유체의 혼합의 점도를 추정하기 위한 모델과 함께 고려한, 몰드 점도 테스트 결과는 관심의 온도에 대해서 최상의 충진율 (따라서 충진 시간) 을 결정하기 위해 사용된다.

본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정에 있어서, 함께 유지되어 수지와 초임계 유체의 혼합물이 주입되는 중공을 형성하는 몰드의 부품들은 함께 고정된다. 일반적으로, 더 적은 양의 수지가 주입되기 때문에 (그리고 초임계 유체의 존재 덕분에 더 낮은 용융물 점도와, 전형적인 패킹 단계를 대신하는 중공 도처에서의 셀 팽창으로부터 기인하는 낮지만 균일한 압력으로 인해), 이 공정에서 사용된 클램프압력은 종래의 사출 성형에서 요구되는 것보다 적다. 클램프 압력이 일반적으로 사출 압력에 의해 좌우되고 패킹 압력에 의해서는 아니기때문에, 사출 압력이 더 낮다. 클램프 압력은 일반적으로 종래의 사출 성형에 사용된 것보다 최대 약 50% 더 낮고, 10-30% 더 낮은 것이 가장 바람직하다.

좀더 복잡한 사출 성형 기술 또한 본 발명을 사용하여 실행될 수 있다. 이러한 실행에는 이것으로 제한되는 것은 아니지만, 다중-사출, 다성분 몰딩, 오버몰딩 등이 포함된다. 이들은 예를 들어, 다른 표면 특성을 갖는 다른 폴리머들을 보유하는 소비재들을 제조할 수 있게 할 것이다. 하나의 본보기 실시예에서, 한 표면은 잡기 쉬운 핸들 등을 위해 높은 마찰계수를 가질 수 있는 반면, 또다른 표면은 훨씬 더 매끄럽고 미끄럽게 그리고 더 낮은 마찰계수를 갖도록 설계될 수 있다.

마이크로셀 발포 사출 성형을 사용하여 부품을 몰딩하기 위한 핫 러너 시스템의 사용은 어느 정도 바람직하다. 한편, 핫 러너 시스템을 가지고 초임계 유체가 플라스틱을 "줄줄 흐르게(drool)"할 수 있거나, 아니면 훨씬 더 나쁘게는 그것이 핫 러너 시스템을 통해 게이트 쪽으로 플라스틱을 "몰고 나아가게(propel)" 하는 경향을 가질 수 있다. 따라서 이러한 "흘림(drooling)" 또는 "추진(propulsion)" 효과를 최소화하고 이로써 몰딩되는 부품에 대해 더 높은 중량 감소를 이루기 위해서는, 마이크로셀 발포 핫 러너 사출 성형 공정에서 게이트 밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 대해 사용될 수 있는 다른 기술은 이것으로 한정되지는 않지만, 인-몰드(in-mold) 어셈블리와 인-몰드 라벨링을 포함한다.

본 발명의 특정한 마이크로셀 사출 성형 공정을 설계하는데 있어서, 년간 요구되는 부품의 용량을 추정할 수 있으며, 예상되는 싸이클 시간과 함께, 해당 용량의 부품을 생산하기 위해 예상되는 노동력, 간접비, 포장재, 재료, 및 기계 비용과 함께, 구체적인 설계 파라미터들을 계산하는데 사용될 수 있다. 이러한 설계 파라미터들은 이것으로 한정되지는 않지만, 몰드의 중공의 수와 기계 용적톤수를 포함한다. (본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정이 더 낮은 클램프 압력 요구량으로 인해, 더 낮은 용적톤수의 기계를 이용할 수 있기 때문에, 기계 용적톤수는 설계 파라미터 고려사항이 될 수 있다. 또한, 더 낮은 기계 용적톤수는 더 낮은 에너지 소비 값으로 해석된다) 어떠한 특정 기계 설계는 제품 요구조건들과 다성분 모델링이 수행될 것인지 여부와 같은, 다른 적절한 인자들에 의존할 것이다. 이러한 방식으로, 일단 설계 및 공정이 선택되면, 부품 요구량 당 비용 및 전반적인 비용 절약과 같은 투자 기준을 평가하기 위해, 비용 쿼트(quotes)를 결정할 수 있다. 이러한 계산을 수행하기 위해 컴퓨터 소프트웨어를 실행할 수 있다.

본 발명의 공정을 위해 파라미터들을 설정하고, 적절한 몰드와 기계를 설계하는데 있어서, 다른 유사한 공정들에 대한 결과를 마이크로셀 발포 공정을 가지고 한 적합한 시험과 설계 실험으로부터의 데이터와 함께 고려할 수 있다. 이것은 모든 파라미터들의 최상의 조합의 최적화와 선택을 가능하게 할 것이다.

본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정은 탐폰 어플리케이터 외통과 같은 탐폰 부품을 제조하는데 특히 유용하다. 탐폰은 다량의 1회용 제품이므로, 이러한 제품의 환경적 영향을 줄이기 위한 어떠한 시도도 소비자들에게 환영받는다. 탐폰의 어플리케이터 외통은 사용자의 손가락으로 움켜잡는 것에 도움이 되는 훨씬 더 두껍고, 심미적으로 디자인된 손잡이 부분은 물론이고, 섬유질 탐폰 가제의 용이한 방출을 위해, 세벽 페탈(꽃잎모양)과 같은 매우 특유한 성형 특징을 포함하는 규제된, 고품질의 Class(부류) 2 의료 장치이다. 또한, 탐폰 어플리케이터 외통은 본원에서 기술한 바와 같이, 일반적으로 신속하게 동시에 채워지는 다수의 중공들과 함께, 고속 성형 가공을 사용하여 효과적으로 저비용으로 제조될 수 있다. 게다가, 폴리락트산 (PLA)과 같은 환경 친화적인 수지로부터 부품을 만들 수 있는 능력은 추가적인 이점을 제공한다.

본 발명의 공정이 탐폰 어플리케이터 외통의 사출 성형에 특히 적합하지만, 본원에서 기술한 전반적인 공정, 방법 및 시스템은 보다 넓게, 즉 여러가지 다양한 사출 성형된 개인 및 소비재 및 포장재를 위한 물품들에 적용될 수 있다. 특히, 마이크로셀 발포 사출 성형은 상비 및 1회용 면도 장치, 칫솔, 충전지, 다양한 형태의 용기, 병-꼭대기 캡, 장난감, 탐폰 어플리케이터 플런저 (또한 푸셔로도 알려짐), 등을 위한 부품을 제조하는데 사용될 수 있다.

마이크로셀 사출 성형 공정을 사용하여 만들어진 각각의 다른 제품에는 다른 파라미터들이 사용된다. 물론 비슷한 공정 파라미터가 각각의 제품에 사용되지만, 제품을 바꿀 때, 예를 들어, 탐폰 어플리케이터 외통에서 또다른 제품으로 바꿀 때, 특정 파라미터도 조정되어야 할 수 있다. 예를 들어, 일부 제품들은 재료의 단일 샷 사출을 사용하여 만들어지는 반면, 다른제품은 다중-스텝 사출 성형 (또한 오버몰딩으로도 알려짐) 공정을 사용하여 만들어진다. 다중-스텝 공정을 사용할 때, 마이크로셀 프로세싱은 하나 또는 어떤 수의 다중 스텝으로 사용될 수 있다.

게다가, 소비자와 개인 케어 물품 및 포장재를 만들기 위해 다른 열가소성 프로세싱 방법 (예를 들어 필름-, 시트-, 및 튜브-압출, 보틀 블로우 성형, 열성형 등)을 사용할 수 있다. 이들 방법은 또한 마이크로셀 발포 가공 및 본원에서 기술한 본 발명으로부터 혜택을 받을 수 있다. 끝으로, 열경화성수지 나노복합물 폼(foam)을 사용해서도 개인 및 소비자 케어 제품 및 포장재에 사용되는 고-강도, 저중량 재료를 만들 수 있다.

실시예 1 - 인장봉 몰딩 실험

표준 LDPE 수지를 표준 그린 LDPE-기반 배치 제제와 함께 혼합하여 98.4% LDPE와 잔부는 윤활제, 슬립제, 착색제, 및 분산제와 같은 비활성 재료를 함유하는 혼합물을 제조하였다. 이 수지 제제를 본 실시예에서 모든 테스트 견본 부품에 사용하였고 LDPE 수지 믹스로 불리워졌다. 이 수지를 사출 성형 시험에서 사용하였고 하기의 실험 구성을 사용하여 테스트 견본 부품을 만들었다 :

사출 성형 기계, Arburg 320S Allrounder 55 톤 (Arburg, Inc., Newington, Connecticut)

몰드: ASTM D638 인장력 테스트 바

냉각제 온도는 38 ℃

Trexel, Inc. (Woburn, Massachusetts)사의 Super Critical Fluid 주입 유닛

질소는 초임계 유체로서 사용하였음

질소 주입 유속은 0.05 kg/h (킬로그램/시간) 내지 0.06 kg/h

질소 투여량 시간은 1.5 초

초임계 유체의 중량 퍼센트는 0.15 내지 0.17 중량 퍼센트 (wt.%) (샷 크기에 의해 제어됨)

재료는 LDPE Playtex 수지 믹스

싸이클 시간은 약 55 초였음

도 1을 참조하면, 본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정을 수행하기 위한 장 치를 개략적으로 보여주며, 참조 번호 (10)으로 일반적으로 지정되고 이후에 "장치 10" 이라고 부른다. 장치 (10)은 스크류 이송 구역 (18), 수지/착색제 농축물이 이곳을 통해 이송 구역으로 첨가되는 호퍼 (16), 및 사출 성형 부분(12)를 포함한다. 스크류 이송 구역 (18)은, 수지/착색제 농축물을 그것의 도입으로부터 호퍼 (16)을 통해 사출 성형 부분(20)으로 수송하는 가소화 스크류를 포함하며, 또한 초임계 유체 첨가를 위한 공급 시스템 (14)를 포함한다. 스크류 이송 구역(18)과 사출 성형 부분 (12) 중간에 제공된 배압은 약 80 bar 내지 약 200 bar이다. 수지/착색제 용액은 호퍼 (16)로부터 이송 구역 (18)을 통해 이동할 때, 주로 가소화 스크류의 회전으로부터의 기계적 에너지와 어떤 적절한 가열 수단 (예를 들어, 전단(shear)로부터의 열 또는 전기 공급원으로부터의 열)을 사용하여 가열되어 용융물을 생산한다. 초임계 유체가 공급 시스템 (14)를 통해 첨가될 때, 그 결과로 발생한 용융물은 단상 폴리머-가스 용액이 된다. 충진 단계 동안에, 초임계 유체를 포함하는 단상 폴리머-가스 용액은 러너의 적절한 시스템과 게이트를 통해 몰드 안으로 주입된다. 용액이 이송 구역 18을 떠날 때의 빠른 압력 강하는 핵들의 형성을 유발하고, 재료의 입방 센티미터 당 약 10⁶ 내지 약 10⁹ 만큼의 많은 공극을 갖는 마이크로셀 사출 성형된 부품을 가져온다. 이 공정에 의해 만들어진 이러한 마이크로셀 플라스틱은 단단한 외피 층과 발포 코어 부분을 갖는다.

몇가지 다른 작동 온도 프로파일과 LDPE 수지 믹스의 몇가지 다른 샷 크기 를 사용하여 부품 중량에서의 원하는 감소를 얻었다.

부품의 치수를 광학 비교측정기 (Hawk Mono Dynascope, Model QC 200, Vision Engineering of Bedford, New Hampshire로부터 입수가능)를 사용하여 결정하였다. 시판되는 주사형 전자 현미경 (SEM) (Model JSM-6100, JEOL USA, Inc. of Peabody, Massachusetts로부터 입수가능)을 사용하여 인장력 부품을 시각적으로 분석하였다.

표 1 은 이 실시예의 테스트 견본 부품에 대한 데이터를 나타낸다. 비교 샘플은 C1, C2, 및 C3로 표시되어 있고 샘플 A, B, C, D, 및 E 는 본 발명을 예시한다. 샘플 C 가 본 발명을 가장 잘 예시하고 있다.

공정, 온도, 중량, 및 중량 감소. 몰딩 온도는 기계 노즐에서의 온도 세팅을 뜻한다.

샘플	공정	몰딩 온도 (℃)	부품 중량 (그램)	% 중량 감소 vs. 표준 공정
C1	표준	154	7.36	NA
C2	표준	134	7.33	NA
C3	표준	224	7.28	NA
A	마이크로셀	154	7.23	1.77
B	마이크로셀	134	7.12	2.86
C	마이크로셀	224	6.11	16.07
D	마이크로셀	224	5.78	20.60
E	마이크로셀	223	6.58	9.62

샘플 B 와 C2에 있어서 (가장 낮은 몰딩 온도에서 실행), 마이크로셀-사출 부품의 인장봉에서 상당한 양의 기포가 존재하지 않은 것으로 나타났다. 또한, 기포의 평균 크기(전자 현미경 데이터로부터)는 직경이 약 200 내지 약 300 마이크로미터였다(도 2에서 볼 수 있는 바와 같으며, 이것은 낮은 (134 ℃) 배럴 온도와 20 cm³의 인젝션 샷 용량에서 찍은 영상임). 게다가, 수많은 핵형성 부위 중에 단지 몇 안되는 셀만이 낮은 온도 조건에서 성장하였다.

샘플 A 와 C1 에 있어서는 (중간 몰딩 온도에서 실행), 이들 조건 하에서 만들어진 마이크로셀-사출 부품이 다른 부품보다 더 적은 수의 기포를 가졌고 기포는 직경이 약 200 마이크로미터인 것으로 나타났다. 또한, 섭씨 151 도의 노즐 온도는 너무 낮아서, 폴리머에서 셀을 핵형성할 수 없는 것으로 나타났다. SEM 그래픽에서 단지 몇 안되는 기포가 관찰되었다 (도 3에서 볼 수 있는 바와 같으며, 이것은 154 ℃의 배럴 온도와 20 cm³의 인젝션 샷 용량에 대해 찍은 영상이다 ).

샘플 C, D, E, 및 C3은 가장 높은 몰딩 온도에서 실행되었다. 샘플 E 는 중량에서 9.6% 감소를 나타내었다. 샘플 E에 대해서는, 평균 셀 크기가 대략 300 내지 400 마이크로미터인 것으로 나타났고, 이것은 다른 기포와 비교할 때(특히 더 낮은 몰딩 온도에서 생성된 기포와 비교할 때) 큰 기포로 간주되었다. 이들 셀 크기는 낮은 용융 강도로 인한 것일 것이며, 따라서 더 높은 용융 온도의 결과로서 기포가 성장하게 된다고 가정하였다. 또한, 이제 도 2-4를 참조하면, 높은 몰딩 온도에서 만들어진 마이크로셀 사출 성형된 LDPE 샘플은 더 낮은 배럴 온도에서 만들어진 것보다 더 많은 기포를 가진 것으로 밝혀졌다. 핵형성에서 관찰된 증가는 낮아진 표면 장력의 결과로 추정되며, 이것은 셀 핵형성에 대한 활성화 에너지 장벽을 감소시켰다.

도 5를 참조하여 나타낸 바와 같이, 샘플 C로서 성형된 실제 부품 (30)과 샘플 C3로서 성형된 비교 부품 (32) (마이크로셀 발포 없음) 을 비교하였다. 시각적으로, 실제 부품은 비슷하였다. 그러나, 샘플 C 의 부품 (30)은 샘플 C3의 부품 (32) 보다 중량에서 16% 감소를 나타냈다. 샘플 C 의 부품 (30)은 또한 샘플 C3의 부품 (32)에서는 존재하지 않았던 일부 소용돌이 패턴을 나타내었다.

샘플 C 의 SEM 현미경사진에서(도 6), 10 마이크로미터 내지 100 마이크로미터 크기의 수많은 셀들이 존재하는 것으로 나타났다. 도 6 은 더 높은 배럴 온도 (224 ℃)와 19 cm³의 인젝션 샷 용량에서 제조된 마이크로셀 LDPE 샘플의 셀 형태의 더 높은 확대율 영상을 보여준다. 다른 조건에서보다 이번 실험 조건에서 훨씬 더 작은 셀들을 샘플 C에서 볼 수 있었다. 셀 크기는 약 5 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터의 범위였다.

샘플 D에 대해서, 약 21%의 중량 감소가 나타났다(샘플 C3 보다). SEM 그래픽 (도 4)에서 보는 바와 같이, LDPE 수지가 주입될 때 일부 큰 가스 주머니가 수지에 형성되었다. 폴리머의 이 부분은 큰 기포들로 발포되었다. 도 4에서, 높은 배럴 온도는 224 ℃였고 인젝션 샷 용량은 20 cm³ 이었다. 높은 배럴 온도가 224 deg C 이고 인젝션 샷 용량이 18 cm³ 일 때비슷한 결과를 얻었다.

표 2 는 본 발명의 공정에 의해 제조된 샘플에 대해 치수 분석을 제공한다. 샘플들 사이의 치수는 (즉, 길이, 폭, 및 두께) 온도의 차이와 부품 중량 감소에도 불구하고 모두 상당히 일관되었고 비슷하였다. 치수를 몇 주 후에 다시 체크하였을 때, 부품은 치수가 일관되게 남아있는 것으로 밝혀졌다. 샘플 D에 대해서 부품 중량의 말단부로부터 30%에서 두께에 관해서만 유일한 예외가 관찰되었다. 관찰된 두께 증가는 (0.1401 인치) 고속의 가스 기포융합 때문일 가능성이 높았다.

부품에 대한 공정, 온도, 및 치수 분석

			2회 측정한 길이		길이의 10, 30, 50, 70, 및 90% 에서 측정한 폭					길이의 10, 30, 50, 70, 및 90%에서 측정한 두께
샘플	공정	몰딩 온도℃	L1	L2	W10	W30	W50	W70	W90	T10	T30	T50	T70	T90
C1	표준	154	6.4385	6.4500	0.7403	0.5109	0.4982	0.5078	0.7493	0.1260	0.1263	0.1263	0.1269	0.1263
C2	표준	134	6.4400	6.4370	0.7483	0.5088	0.4974	0.5061	0.7436	0.1259	0.1259	0.1255	0.1263	0.1289
C3	표준	224	6.4560	6.4540	0.7424	0.5081	0.4930	0.5013	0.7408	0.1270	0.1256	0.1291	0.1281	0.1261
A	마이크로-셀.	154	6.4400	6.4390	0.7480	0.5124	0.5016	0.5122	0.7515	0.1285	0.1274	0.1256	0.1254	0.1257
B	마이크로-셀	134	6.4230	6.4295	0.7440	0.5034	0.4939	0.5052	0.7439	0.1253	0.1253	0.1263	0.1235	0.1241
C	마이크로-셀	224	6.4505	6.4575	0.7486	0.5091	0.4980	0.5089	0.7466	0.1270	0.1258	0.1257	0.1247	0.1289
D	마이크로-셀	224	6.4485	6.4565	0.7443	0.5071	0.4974	0.5098	0.7471	0.1270	0.1401	0.1267	0.1266	0.1275
E	마이크로-셀	224	6.4425	6.4440	0.7521	0.5141	0.5044	0.5114	0.7480	0.1261	0.1282	0.1256	0.1293	0.1262

표 3 은 대조군 샘플 C3과 비교한, 일부 샘플들에 대한 인장력 강도 결과의 요약을 제공한다. 일부 기계적 성질에서의 손실이 관찰되었다. 그러나, 이러한 손실은 더 적은 양의 플라스틱이 사용됨을 고려할 때 경미한 것으로 간주된다.

기술한 바와 같은 소용돌이 패턴은 제조된 부품의 표면 위에서 가스 흐름 흔적의 결과일 수 있다. 소용돌이와 같은 표면 결함은 발포 부품을 제조하기 위해 초임계 유체를 사용하는 공정의 채택과 관련한 문제들 중의 하나에 해당한다. 이러한 소용돌이는 표면에 있는 기포들이 몰드 벽에 대해 끌려가는 것에 의한 것으로 보인다. 도 7 과 8을 참조하면, 종래의 사출 성형된 부품과 마이크로셀 부품에 있어서, 표면 프로파일에 차이가 존재하는 것을 볼 수 있다. 도 7은 종래의 방법에 의해 성형된 부품을 보여주고, 도 8은 본 발명의 공정을 사용하여 성형된 부품을 보여준다.

본 발명의 일 실시예에서, 사출하는 동안 몰드 벽과 폴리머 사이에 단열재 (예를 들어, 테플론 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 또는 테플론 퍼플루오로알콕시 코폴리머 (PFA))를 삽입함으로써 몰드 온도를 높게 유지함으로써, 부품의 표면 품질이 개선될 수 있다. 표면 품질의 효과적인 개선을 준비하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램 ANSYS 11.0 (Ansys, Lebanon, New Hampshire로부터 입수가능)을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 폴리에틸렌, 스테인리스강, PFA, 및 PTFE의 열적 성질을 이용하여, PFA 과 PTFE의 다양한 두께에서의 몰드에 대한 온도를 계산하였다. 도면 9는 하나의 이러한 시뮬레이션의 결과들을 제공하며, 이때 벽에서의 온도는 약 101℃ 이다. 이러한 시뮬레이션 결과는 초임계 유체 공정을 사용하여 만들어진 인장봉의 표면 특성을 개선하기 위해 수행된 실험을 시사하였다. 도면 10 은 수행된 실험의 도식화를 제공한다.

컴퓨터 시뮬레이션 실험의 결과로서, 표면은 3.2mm의 부품 두께에서 150 미크론 PTFE의 사용으로 상당히 개선된 것으로 결정되었다. 특히, 소용돌이 자국이 제거되거나 또는 적어도 상당히 감소된 것으로 나타났다. 그러나, 또한 75 미크론 PTFE에서, 일부 샘플은 표면 위에 가스 흐름 자국을 계속해서 나타내보인 반면, 일부 샘플에 있어서는 흐름 자국이 제거되었고, 일반적으로 개선된 표면에도 불구하고, 일부 결함이 여전히 나타났다는 점이 주목되었다. 도면 11 및 12 은 PTFE 코팅된 몰드를 사용하여 만들어진 부품의 몇몇 결과들을 도해로 보여준다. 특히, 도 11은 초임계 유체 공정에 의해 몰드에서 150 미크론 PTFE 코팅을 사용하여 제조된, 인장력 및 굽힘 테스트 봉을 보여주며, 도 12는 초임계 유체 공정에 의해 몰드에서 75 미크론 PTFE 코팅을 사용하여 제조된 인장봉을 보여준다.

실시예 2 - 탐폰 어플리케이터 외통 실험

도 1에서 보여준 바와 같이, 상당한 부품 복잡성을 나타내는 4개-중공 핫 러너 몰드는 공급 및 이송 시스템을 포함하는 Arburg 320S 사출 성형 시스템에 기계적으로 그리고 전기적으로 둘다 연결되었다. 둥근, 반경의 노즐을 사용하여 LDPE 플라스틱을 주입하였다. 핫 러너 매니폴드를 위한 전기 구역(zone) 가열은 온도 제어장치를 사용하여 제어되었다 (Gammaflux Inc., Sterling, Virginia으로부터 입수가능). 10 또는 22 ℃ 중 하나의 유입구 온도를 사용하는 냉각수 시스템을 사용하여, 몰드를 냉각시켰다. 다른 파라미터는 인장봉 몰딩에서 위에서 이미 설명한 것들과 유사하였다.

탐폰 어플리케이터 몰딩에서 사용된 일부 다른 몰딩 파라미터는 다음을 포함한다:

몰드 개방 전에 활성화되고 몰드 폐쇄 전에 추숙되도록 설정된 코어 풀(pull) 옵션

공기-작동되는 부품 방출

초당 20-40 입상 센티미터의 유속

약 210 또는 216 ℃의 배럴 및 몰딩 온도(410-420 ℉)

분 당 13.0 미터의 둘레 속도

50-100 bar의 배압

10.3 입방 센티미터의 질소 투여량 용량

초임계 유체 몰딩 공정: 성형된 부품 안으로 질소 혼입을 보장하기 위해, 초임계 유체 송달 압력을 배럴에서의 용융 압력보다 약 1.4 MPA 더 높은 압력으로 유지함

0.3-0.7 초의 인젝션 충진 시간

0 초의 패킹 시간

6-15 초의 냉각 싸이클 시간

냉각 시간보다 약 8-10 초 더 긴 전체적인 싸이클 시간

이 공정을 사용하여 제조될 수 있는 부품에서의 복잡성을 실증하기 위해, 본원에서 개시한 공정으로부터 제조된 부품을 도 13 과 14에서 보여준다. 도 13에서는, 탐폰 어플리케이터 외통 꽃잎모양 말단부를 보여준다. 도 14에서는, 탐폰 어플리케이터 외통의 손잡이 부분 (손가락 손잡이)을 위한 몰드를 일반적으로 (40)으로 나타낸다. 탐폰 어플리케이터 외통은 (42)로 도시된다. 일단 몰딩되면, 탐폰 어플리케이터 외통 (42)은 사용자에 의해 잡기 용이하게 하는 높이 솟은 부분 (44)를 포함한다.

잡는 부분 (40)과 탐폰 어플리케이터 외통 (42)를 이틀 동안 몰딩하였다. 사용된 베이스 수지 대 착색제의 비율은 19 대 1 이었다 (실시예 1의 인장봉 몰딩 실험에서와 같음).

100% LDPE에 사용에 더하여, 95% LDPE와 잔부는 PTFE인 (즉, MP-1600 급 테플론)의 조성물을 사용하여 유사한 부품을 제조하였다. 이 조성물은 Wilmington, Delaware의 E.I. DuPont 사에서 공급하였다. 특히 하나의 부품은 여성 위생제품 장치용으로 95.5% LDPE, 3% 그린 착색제 믹스, 그리고 1.5% 올레아미드의 조성물을 사용하여 제조하였다. 이 부품은 본 발명의 마이크로셀 사출 성형 공정에 의해 제조된 다른 부품보다 6.4% 중량 감소를 나타냈고 개선된 표면 품질을 보여주었다.

부품 중 적어도 일부는 착색제 없이 제조되었다.

몰딩을 위한 본 발명의 초임계 유체 공정의 예증을 제공하기 위해, 샘플을 수집하고 테스트하였다. 초임계 유체 공정 샘플은 E1, E2, E3, 및 E4로서 표시하였다. 종래의 사출 성형 공정에 의해 제조된 비교 샘플은 C4 및 C5로 표시한다. 샘플은 하기 표 4에 설명되어 있다.

성형된 탐폰 어플리케이터 외통에 대한 샘플 설명

샘플	조성물	샘플 크기 (외통의 수)
E1	100% LDPE^*	13
E2	LDPE, 착색제없음	6
E3	95% LDPE^*, 5% PTFE, 6 초 냉각 시간	23
E4	95% LDPE^*, 5% PTFE, 15 초 냉각 시간	23
C4	UW LDPE 대조군, 그린 착색제	12
C5	95% LDPE^*, 5% PTFE	9

^* 95% LDPE + (5%)(0.73 LDPE) = 98.65% LDPE (실제 양), 잔부는 1.35% 착색제와 다른 첨가제임

이 시험에서 얻어진 결과는 또한 대규모의 종래의, 상업 생산-규모 사출 성형 기계 로부터 얻은 유사한 탐폰 어플리케이터 외통 샘플과 비교하였다(이후에 C6으로 표시함).

또한 일부 몰딩 시험은 작은 비율의 나노-점토 블렌드를 사용하여 수행하였다.

하기의 결과가 나타났다:

약간의 공정 차이로 인해, C4 대조군 샘플 부품은 C6 부품과 비교하여, 중량에서 약 5% 더 높았다.

E1 부품은 부품 중량에서 C4 부품보다 약 5% 더 낮았다.

초임계 유체 공정에 의해 형성된 꽃잎부는 플래싱(flashing)을 생성하지 않았고, 다른 문제도 나타내지 않았다(예를 들어, 탐폰 어플리케이터에서 꽃잎의 폐쇄에 어떤 문제도 나타나지 않았다).

표면 품질에서의 약간의 차이가 나타났다. 특히, 초임계 유체 공정 부품 (E1-E4)에 대한 외통 표면이 비교 부품 (C4-C6)의 그것보다 더 거칠고 울퉁불퉁하였다. 5% PTFE를 사용하여 만들어진 그러한 부품에 대해서, 특히 더 짧은 냉각 시간에서 실행한 샘플에 대해서는 차이가 더 적었다.

시간이 지남에 따른 치수 안정성은 적당한 것으로 결정되었다.

하기 표 5는 샘플 C4 대 E1에 대해 측정된 중량과 치수의 개요를 제공한다. 일부 차이 예를 들어, 손가락 손잡이 높이의 차이는 통계적으로 유의하지 않을 것으로 간주될 수 있다.

측정된 중량 및 치수의 개요

속성	UW의 평균 대조군, C4	UW의 표준 편차 대조군, C4	LDPE의 평균, E1	LDPE, E1의 표준 편차	% 감소 (E1에 대한 대조군, C4)
손가락 손잡이 내측 직경 손가락 손잡이 길이 손가락 손잡이 외측 직경 바닥에서부터 첫번째 손가락손잡이 고리까지의 길이 바닥에서부터 두번째 손가락손잡이 고리까지의 길이 바닥에서부터 세번째 손가락손잡이 고리까지의 길이 분리선으로부터 가장높은 꽃잎 끝까지의 길이 가운데 고리 양각(높은) 높이 전체적인 외통 길이	0.255 0.825 0.340 0.225 0.426 0.628 1.848 0.015 3.106	0.0007 0.0015 0.0016 0.0019 0.0020 0.0013 0.0014 0.0008 0.0036	0.243 0.825 0.322 0.225 0.426 0.626 1.834 0.017 3.092	0.0071 0.0021 0.0218 0.0019 0.0028 0.0044 0.0038 0.0033 0.0038	4.52% 0.05% 5.30% -0.03% 0.02% 0.25% 0.77% -14.04% 0.45%
중량, 그램	3.419	0.0127	3.258	0.0371	4.71%

본 발명의 초임계 유체 공정은 표면에서 마이크로-기포를 형성하고, 이러한 기포는 몰드 벽에 대해 끌려간다. 이들 부품의 질감은 적어도 부분적으로 표면 마감칠(finish), 냉각, 및 흐름 형태 중 한가지 이상 때문에, 다소 더 거칠다. 한편, 외통과 손가락 손잡이 영역의 내부는 좀더 연마손질하여, 외통의 이들 표면 부분은 덜 거친 느낌이 난다. 그릿(grit) 크기는 마이크로-기포의 존재와 비슷하고 그것에 해당할 수 있다. 이 약간 더 거친 질감은 긍정적인 소비자 관련 제품 특징이 될 수 있다. 어떤 특정 이론에 구속되기를 바라지 않으며, PTFE의 존재가 제조된 부품의 표면 "감촉"을 개선시키는 것으로 추정된다.

이제 도 15-18를 언급하면, 제조된 부품의 다양한 부분들이 나와있다. 특히, 도 15는 본 발명의 공정에 의해 형성된 어플리케이터 외통의 표면의 클로즈업을 보여주며; 도 16는 본 발명의 공정에 의해 형성된 외통의 일부분의 표면을 고배율로 보여주는데 둥근 렌즈를 통해 기포 크기와 기포 분포를 보여주고 있으며; 도 17은 본 발명에 따라 만들어진 부품에 대해서 꽃잎부의 클로즈업을 보여주며; 도 18은 고배율에서 손가락 손잡이의 상어 지느러미 기하학구조를 보여준다.

실시예 3: 추가적인 탐폰 어플리케이터 외통 실험

상기 실시예 2에서 설명한 동일한 4개-중공 핫-러너 몰드를 사용하여 몇개의 추가 탐폰 어플리케이터 외통을 만들었다. 이 특별한 4개-중공 몰드에서, 중공 중 2개는 실시예 2에서 사용했던 것과 동일한 것이었다. 이들 2개의 중공으로 만들어진 탐폰 어플리케이터 외통은 정규의 평균 또는 보다 널리 사용되는 탐폰보다 더 많은 흡수성을 갖는 탐폰 (초 흡수성 탐폰)에 해당하는 외통이 되었다. 다른 2개의 외통은 보다 가느다란 외통; 즉, 더 작고, 정규의, 또는 더 낮은 흡수성 탐폰에 일반적으로 사용되는 더 작은 직경 외통으로 만들어졌다. 몰드는 이들 2개의 중공 중 어느 한 세트가 사용되도록 구성되지만, 동시에 4개 모두가 사용되지는 않는다. 더욱이, 정규 또는 더 낮은 흡수성 탐폰 외통에 사용된 2개의 중공은 다이아몬드 연마를 하여 매우 매끄럽고 광택나는 마감상태를 제공하였다. 보다 흡수성인 탐폰에 해당하는 외통에 대한 중공은 다이아몬드 연마를 하였다. 몇가지 세트의 조건에 대해 몇 백개의 탐폰 외통을 만들었다; 마이크로-셀-형성된 외통에 대해 더 낮은 부품 중량을 얻기 위해 샷 크기와 온도 프로파일을 약간 조정한 것을 제외하고는, 조건들은 실시예 2에서 설명한 것과 대략 유사하였다. 조건들은 하기 표 6에서 제공된다.

LDPE (Marlex KN226, Chevron-Phillips)를 동일한 그린 착색제 제제와 함께 19 대 1 비율로 혼합하였다.)

표 7 은 본 실시예에서 만든 외통에 대해 수집한 데이터의 요약을 제공한다. 보이는 바와 같이, 마이크로-셀 공정에 의해 형성된 외통은 초특 (E5-E8) 또는 가느다란 것(E9-E10) 중에 어느 것이든지, 동일한 사출 성형 기계와 동일한 몰드를 사용하여 종래의 사출 성형에 의해 만들어진 상응하는 대조군 (C7 또는 C8) 비교 외통보다 중량이 더 가벼웠다. 여기서 기록한 속성들은 적어도 5개의 다른 측정치들로부터 구한 평균이다. 추정치의 표준 오류들 집합 또한 여기에 기록하였다.

마이크로-셀-제조된 외통에 대해서 중량은 분명히 달랐지만, 외통 길이, 꽃잎 두께, 꽃잎 간격, 손가락 손잡이 내측 직경, 및 손가락 손잡이 높이는 종래의 몰딩에 의해 만들어진 것과 대략 유사하다. 이 데이타는 심지어 매우 얇은 부품 - 두께가 단지 0.012 내지 0.014 인치인 탐폰 어플리케이터 꽃잎에 있는 부품과 같이 -을 마이크로-셀 기술을 사용하여, 치수 안정적으로 만들 수 있다는 것을 시사한다. 이 기술에 관한 선행 기술에서 지금까지 교시된 것을 고려해볼 때, 이것은 놀랄 일이다. 좀더 상세하게는, 섬유질 탐폰 가제를 압축하기 위해, 더욱 흡수성인 탐폰을 위한 탐폰 어플리케이터 외통 꽃잎부를 기계에서 형성하여 꽃잎부를 부드럽게하고, 형상화하고 폐쇄할 때, "꽃잎 간격" 또는 폐쇄된 꽃잎 사이의 평균 거리는 종래의 사출 성형에 의해 성형된 C7에 대해 측정한 것과 필적할 만하게, 작게 남아있다.

이 실시예에 있어서, 표면 거칠기를 또한 측정하였다. 이것을 측정하는데 간단한, 휴대용 Federal Mahr (NJ) Pocket Surf II 프로파일로미터(profileometer)를 사용하였다. 이러한 측정을 여러번 반복하였다. (여기에서 열거한 각각의 샘플에 대해 약 20번). 가느다란 외통에 대한 표면 거칠기는 더욱 흡수성인 탐폰용 몰드에 대한 값보다 더 작고, 아마도 다이아몬드 연마 때문일 가능성이 있다. 그러나, 평균 마이크로-셀 가느다란 거칠기 값 (샘플 E9 및 E10)은 종래대로 성형된 샘플 (C8)에 대한 값과 실제로 비슷하거나 또는 그것보다 약간 더 작았다 (즉, 좀더 매끄러움). 종래의 몰딩 (C7)에 의해 만들어진 더욱 흡수성인 어플리케이터 외통에 대한 거칠기 값은 동등하게 만들어진 마이크로-셀 외통 (E5-E8)에 대한 것보다 약간 더 낮았다.

앞에서 설명한 바로부터, 마이크로셀 사출 성형 공정에 의해 LDPE 수지를 사용하여 발포 부품을 제조하는 것이 가능하다고 결론내릴 수 있다. 또한, 낮은 용융 온도가 셀 핵형성을 방해하며, 이러한 방해는 아마도 활성화 에너지 장벽의 증가의 결과일 것으로 결론지을 수 있다. 더 높은 용융 온도는 아마도 핵형성을 위한 활성화 에너지를 낮춤으로서, 셀 집단 밀도를 증가시키고 마이크로셀 사출 성형된 부품에서의 셀 크기를 감소시킨다. 그러나, 과도하게 높은 용융 온도와 부품의 높은 중량 감소는 낮은 용융 강도를 초래할 수 있고, 이로인해 셀 융합과 때때로 더 큰 셀의 원인이 된다. 게다가, 마이크로셀 사출 성형된 부품은 최대 20%의 중량 감소와 함께 크기가 5 마이크로미터 내지 200 마이크로미터 범위인 작은 기포들을 나타내게 제조될 수 있다. 최종적으로, 이 마이크로셀 공정을 사용하여, 두께가 1 인치의 천분의 십 만큼 낮을 수 있는 치수 안정적인 부품을 만들 수 있다.

본 발명은 상세한 실시예에 대하여 보여주고 설명되었지만, 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화가 만들어질 수 있으며 등가물이 그 구성요소를 대체할 수 있다는 것을 당업자들은 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 필수 범위를 벗어나지 않고 발명의 교시에 따라 특정한 상황 또는 재료를 개작하는데 있어 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 상세한 설명에 개시된 특정 실시예에 한정되지 않지만, 본 발명이 첨부된 청구항의 범위 내에서 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.

Claims

마이크로셀 재료를 제조하기 위한 사출 성형 방법으로서, 이 방법은:
폴리머를 용융하는 단계;
상기 용융된 폴리머를 초임계 유체와 혼합하여 단상 폴리머-가스 용액을 제조하는 단계;
상기 단상 폴리머-가스 용액을 몰드 안으로 주입하는 단계 ; 및
상기 폴리머를 응고시키는 단계; 를 포함하며,
이때 노즐 전체의 압력 저하는 상기 초임계 유체로하여금 상기 폴리머에서 가스 기포를 핵형성(응집)하게 만들고, 이로써 상기 폴리머에서의 마이크로셀 구조의 핵형성을 초래하여 상기 폴리머가 단상인 외관을 갖게 만드는 것을 특징으로 하는 마이크로셀 재료를 제조하기 위한 사출 성형 방법.
제 1항에 있어서, 상기 초임계 유체의 첨가 후와 상기 노즐을 통한 상기 단상 폴리머-가스 용액의 주입 전에, 폴리머의 용융점보다 약 10 ℃ 이상 더 높은 온도에서 상기 단상 폴리머-가스 용액을 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 초임계 유체의 첨가 후와 상기 노즐을 통한 상기 단상 폴리머-가스 용액의 주입 전에, 폴리머의 용융점보다 약 20 ℃ 더 높은 온도에서 상기 단상 폴리머-가스 용액을 유지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 폴리머는 LDPE 이고 온도는 190 ℃ 와 230 ℃ 사이인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 몰드에서 물품을 성형하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 물품을 성형하는 총 싸이클 시간이 약 3 초 내지 약 100 초인 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서, 상기 물품을 성형하는 총 싸이클 시간이 약 3 초 내지 약 20 초인 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서,상기 물품을 성형하는 총 싸이클 시간이 약 4 초 내지 약 15 초인 것을 특징으로 하는 방법.
제 5항에 있어서, 성형된 상기 물품이 탐폰 어플리케이터 외통인 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 착색제를 상기 폴리머 안에 혼입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 산화방지제, 윤활제, 슬립제, 심미적 품질-향상제, 안료, 유백체, 충격 개질제, 충전제, 점토, 나노-점토, 내연제, 절연 재료, 및/또는 가공 보조제와 같은 하나 이상의 첨가제를 상기 폴리머 안에 혼입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 상기 폴리머를 응고시키는 상기 단계로 적어도 약 0.012 인치의 두께를 갖는 부품을 제조하고 이때 흐름(flow) 길이 대 부품 두께의 비가 적어도 약 200:1인 것을 특징으로 하는 방법.
마이크로-셀의 핵형성에 의해 형성된 마이크로셀 구조를 갖는 폴리머를 포함하는 발포(foam) 구조로서, 상기 마이크로-셀은 상기 폴리머의 액체 용액이 압력 저하를 받을 때, 상기 폴리머의 상기 액체 용액 안에 초임계 유체를 분산시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 발포 구조가 탐폰 어플리케이터 외통인 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 폴리머에 첨가된 착색제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 폴리머 안에 혼입된 산화방지제, 윤활제, 슬립제, 심미적 품질-향상제, 안료, 충전제, 충격 개질제, 점토, 나노-점토, 내연제, 절연 재료, 및 가공 보조제 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리올레핀, 폴리올레핀과 다른 열가소성수지의 블렌드, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 고무, 폴리락티드, 폴리알카노에이트, 및 열가소성 전분-기반 수지 블렌드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 17항에 있어서, 상기 폴리머는 저-밀도 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 초임계 유체는 질소, 이산화탄소, 및 전술한 것들의 블렌드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 초임계 유체는 약 0.05 wt.% 내지 약 1 wt.%로 탑재된 질소인 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 상기 초임계 유체는 약 0.15 wt.% 내지 약 0.45 wt.%로 탑재된 질소인 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 13항에 있어서, 부품 두께는 0.01 인치와 대략 동일하거나 이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 발포 구조.
제 18항에 있어서, 적어도 70% 저밀도 폴리에틸렌과 약 0.1% 내지 약 20%의 PTFE 및 PFA 중 적어도 하나의 블렌드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 구조.
폴리머 용융물로부터 초임계 유체를 혼합함으로써 형성된 마이크로셀 구조를 갖는 발포 폴리머를 포함하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 폴리머는 폴리올레핀, 폴리올레핀와 다른 열가소성수지의 블렌드, 폴리아미드, 폴리프로필렌, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 고무, 폴리락티드, 폴리알카노에이트 및 열가소성 전분-기반 수지 블렌드로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 폴리머는 저-밀도 폴리에틸렌인 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 여성 위생제품 장치는 탐폰 어플리케이터 외통인 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 27항에 있어서, 부품 두께가 적어도 0.01 인치와 대략 동일하거나 또는 이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 마이크로셀 구조의 셀의 평균 크기는 약 5 마이크로미터 내지 약 200 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 장치는 약 0.003 내지 0.10 인치의 두께를 갖는 벽에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 24항에 있어서, 상기 폴리머에 혼입된, 착색제, 산화방지제, 윤활제, 슬립제, 심미적 품질-향상제, 안료, 염료, 유백체, 충격 개질제, 충전제, 점토, 나노-점토, 내연제, 및 가공 보조제 중 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
제 26항에 있어서, 0.1-10% 의 PTFE 와 PFA 중 적어도 하나, 적어도 80% 저밀도 폴리에틸렌의 블렌드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 여성 위생제품 장치.
여성 위생제품 장치를 사출 성형의 방법으로서, 상기 방법은 :
베이스 폴리머를 펠릿 형태로 제공하는 단계;
상기 베이스 폴리머를 스크류 이송 구역에 첨가하는 단계;
초임계 가스를 상기 스크류 이송 구역에 첨가하는 단계;
상기 베이스 폴리머와 상기 초임계 가스를 결합시키는 단계;
결합된 베이스 폴리머와 초임계 가스를 몰드 안에 주입하여, 실질적으로 연속적인 열가소성 상 매트릭스를 갖는 성형된 여성 위생제품 장치를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 33항에 있어서, 상기 베이스 폴리머를 제공하는 상기 단계는 열가소성수지와, 착색제, 윤활제, 슬립제, 충전제, 점토, 나노-점토, 유백체, 안료, 충격 개질제, 내연제, 절연 재료, 및 가공 보조제로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 첨가제를 혼합하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 33항에 있어서, 상기 베이스 폴리머를 상기 스크류 이송 구역에 첨가하는 상기 단계는 상기 베이스 폴리머를 호퍼를 통해 추가하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 33항에 있어서, 상기 스크류 이송 구역에 첨가된 상기 베이스 폴리머를 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 36항에 있어서, 상기 베이스 폴리머를 가열하는 상기 단계는 가소화 스크류를 사용하여 상기 베이스 폴리머를 전단(shearing)하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 36항에 있어서, 상기 베이스 폴리머를 가열하는 상기 단계는 전기 가열 공급원을 사용하여 상기 스크류 이송 구역을 가열하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 33항에 있어서, 결합된 베이스 폴리머와 초임계 가스를 몰드 안으로 주입하는 상기 단계는 상기 성형된 여성 위생제품 장치에 움푹 들어간 코어를 제공하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
여성 위생 제품에 사용하기 위한 조성물로서, 상기 조성물은:
약 94 wt.% 내지 약 97 wt.%의 양인 저밀도 폴리에틸렌;
최대 약 4 wt.% 의 양인 착색제; 및
최대 약 2 wt.% 의 양인 올레아미드;를 포함하고,
이때 상기 여성 위생 제품은 마이크로셀 사출 성형 공정을 사용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 조성물.