KR20230170133A - 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능하고 재활용 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 신발 구성요소, 좌석 구성요소, 보호 장비 구성요소, 및 수상 스포츠 장신구에서 사용하기 위한 재활용 가능한 사출 성형된 초미세 발포체의 제조 방법을 개시한다. 방법은 소비 후 해중합된 플라스틱으로부터 유래된 적어도 하나의 단량체를 포함하는 열가소성 중합체를 제공하는 단계, 및 유체를 장치의 배럴로 삽입하는 단계를 포함한다. 유체는 초임계 유체를 생성하는 온도 및 압력하에 도입된다. 방법은 단일상 용액을 생성하기 위하여 열가소성 중합체 및 초임계 유체를 혼합하는 단계, 및 기체 역압하에 단일상 용액을 사출 성형기의 금형에 주입하는 단계를 더 포함한다. 방법은 금형 내의 열 및 온도 조건을 제어하여 단일상 용액을 발포하는 단계를 더 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 특허 가출원 제62/853,805호(출원일: 2019년 5월 29일, 발명의 명칭: "RECYCLABLE AND CHEMICAL-FREE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME")에 대한 우선권 및 이득을 주장하고, 특허 출원 제16/418,968호(출원일: 2019년 5월 21일, 발명의 명칭: "BIODEGRADABLE AND INDUSTRIALLY COMPOSTABLE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME")의 일부 계속 출원인데, 이는 미국 특허 가출원 제62/674,544호(출원일: 2018년 5월 21일, 발명의 명칭: "BIODEGRADABLE AND INDUSTRIALLY COMPOSTABLE INJECTION MOLDED MICROCELLULAR FLEXIBLE FOAMS, AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME")에 대한 우선권 및 이득을 주장하며, 상기 개시내용은 모든 목적을 위하여 이들의 전문이 모두 참조에 의해 본 명세서에 원용된다.
본 개시내용은, 예를 들면, 신발 구성요소, 좌석 구성요소, 보호 장비 구성요소, 및 수상 스포츠 장신구에서 사용하기 위한 재활용 가능한 또는 생분해성, 산업적으로 퇴비화 가능한 생물 유래 열가소성 중합체로부터 다양한 가요성 발포체 조성물을 사출 성형 초미세 발포(injection molded microcellular foaming)하는 방법에 관한 것이다.
퇴비화를 통한 분해는 제품의 제조에 사용되는 자원을 재생하는데 중요한 공정이다. 그러나, 이들 제품이 발포체를 포함하는 경우, 분해는 문제가 있을 수 있다. 특히, 가요성 발포체의 통상적으로 공지된 제조 방법의 몇몇 단점이 있다. 예를 들면, 이러한 단점은 발포체 제조 산업 및 고유한 처리 절차에서 사용되는 재생 불가능한 중합체, 화학 발포제, 및 화학 첨가제의 선택 및 사용을 포함하고, 이들은 전형적으로 생분해성이 아니고, 일반적으로 환경에 해로운 것으로 간주된다. 이러한 생분해의 부족은 많은 통상적인 가요성 발포체 물질 및 이들이 함유된 제품이 수십 내지 수백년 동안 어느 곳에서든 매립지에서 끝난다는 것을 의미한다.
이는 또한 오늘날 전세계적으로 매립지의 남용이 환경 및 경제 둘 다에서 직접적인 부정적인 영향을 주기 때문에 문제가 된다. 예를 들면, 매립지는 미국에서 메탄 배출의 세번째로 큰 공급원이다. 추가로, 통상적인 가요성 발포체에서 사용되는 상기 언급된 비생분해성 중합체 및 화학물질은 특히 재생 불가능한 자원으로부터 유래된다.
이들 물질은 생물 유래 공급원료와 있는 경우에도 천연적으로 재생 가능하지 않고, 따라서, 이들 물질이 자주 수득되고 사용된 다음, 지속 가능하지 않게 제거되기 때문에 이들의 바로 그 생성은 환경에 절대 손실이다. 추가로, 재생 가능한 중합체가 가요성 발포체의 통상적으로 공지된 제조 방법에서 사용되는 것이 선택된 경우에도, 화학 발포제 및 이들 방법의 가교결합은 재생 가능한 중합체를 생분해성 또는 퇴비화되지 않는 첨가제로 오염시킬 가능성이 있다. 따라서, 이를 다시 제로섬으로 만든다. 더 나아가, 생중합체의 가교결합은 또한 전구체 구성요소가 분리될 수 없고, 따라서 더 많은 폐기물 생성 및 매립지로 가는 더 많은 물질을 야기하기 때문에, 생분해 또는 퇴비화를 위한 임의의 적합한 수명 만료 해결책을 방지할 가능성이 있다.
따라서, 퇴비화 및 재활용이 재생 가능하고 지속 가능한 미래를 위해 제공되는데 중요한 과정임에도 불구하고, 제조 산업에서 이의 통합은 매우 제한된다. 그러나, 제조된 물질이 퇴비화 가능하게 만들어질 수 있다면, 예를 들면, 환경에 매우 유용할 것이다. 예를 들면, 가요성 발포체 물질의 퇴비화 및 생분해는 환경 및 경제에 순이익을 나타내는 폐기물 처리의 기회를 생성한다. 예를 들면, 이들 물질의 퇴비화에 의해, 매립지 및 대량 연소 소각로로 보내지는 폐기물의 전체량을 감소시키는 것이 가능하다.
폐기물 감소 이외에, 퇴비화 공정은 또한 영양분이 풍부한 사용 가능한 제품을 생성할 것이고, 척박한 토지를 수정하여 식량을 재배하거나 정원에 비료를 주는데 사용될 수 있다. 따라서, 가요성 발포체의 퇴비화 및 생분해의 바로 그 개념, 그러나 신규한 개념은 소위 순환 경제의 원리를 유지하면서 전체 가치 사슬에서 혁신을 일으킬 수 있다. 퇴비화의 두 가지 전형적인 형태인 산업적 퇴비화 및 가정식 퇴비화가 있다. 이들 퇴비화 방법론은 둘 다 이득 및 단점을 갖는다.
산업적 퇴비화는 유기 폐기물의 매우 높은 부피를 취급하도록 설계된 대규모 퇴비화의 형태이다. 이는 50℃ 내지 60℃의 온도에서 대규모 시설에서 수행된다. 가정식 퇴비화는 한 가정에서 나오는 유기 폐기물을 취급하는 퇴비화의 형태이다. 특히, 가정식 퇴비화는 가정에서 뒷마당 퇴비 더미에서 확인되는 온도와 같이 상대적으로 낮은 온도에서의 퇴비화를 지칭하고, 따라서 명칭이 "가정"이다. 산업적 퇴비화와 대조적으로, 가정식 퇴비화는 정원 쓰레기, 주방 폐기물, 대팻밥, 판지, 및 종이와 같은 유기 물질 또는 폐기물의 더 차가운 호기성 붕괴를 포함한다. 가정식 퇴비화에서 처리되는 부피는 산업적 퇴비화보다 상당히 작고, 퇴비는 일반적으로 사유 정원에서 사용된다. 이 공정은 전형적으로 소규모 퇴비통 및 더미에서 수행된다. 이 방법에서, 온도는 전형적으로 저온(0 내지 20℃) 내지 중온(20 내지 45℃) 범위이다(하기 설명됨). 따라서, 상이한 기술이 존재하지만, 일반적인 과정은 동일하다: 활성 퇴비화 후, 경화의 제어된 과정.
활성 퇴비화 단계는 전형적으로 적어도 21일 동안 지속된다. 이들 조건하에, 미생물은 유기 폐기물에서 성장하고, 이를 CO2 및 물로 붕괴시키고, 이를 영양소로 사용한다. 퇴비화 동안, 유기 폐기물은 무더기로 축적되고, 그 결과, 퇴비화의 에너지의 부분은 열로 방출된다. 퇴비화 무더기의 온도가 미생물군 이동을 증가시키는 경우, 주위 온도에 적응한 미생물, 예를 들면, 중온균은 이들의 활동을 멈추고, 사멸되고, 고온에서의 생존에 적응한 미생물, 예를 들면, 고온균으로 대체된다. 위생화 목적을 위하여, 가정식 퇴비화에 있어서, 온도는 병원성 미생물의 제거를 위하여 적어도 1주 동안 60℃ 초과에서 유지되어야 한다. 대조적으로, 산업적 퇴비화의 경화 단계는 분해 속도를 일정한 속도로 늦추고, 퇴비는 40℃ 미만의 더 낮은 중온 범위의 온도에서 숙성된다.
산업적 퇴비화의 주요 문제는 입력 공급원료가 효과적으로 처리되기 위하여 적절하게 배치되어야 한다는 것이다. 즉, 물류 문제는 적절한 수집, 분류, 및 산업적 퇴비화 시설로의 수송이 필요하다는 장애물이다. 미국의 조합된 퇴비화 및 재활용 전환 비율은 약 35%이고, 이는 사회가 대부분의 기반시설이 폐기물 전환에서 "폐쇄형 루프"이기 전에 갈 길이 멀다는 것을 나타낸다. 이러한 부족분을 극복하는 하나의 방법은 최종 사용자를 더 잘 교육하고, 더 큰 회수 계획에 반영되는 회수 계획의 지역화된 네트워크를 확립하는 것이다. 산업적 퇴비화의 편의성 및 접근성의 충분한 개발 목표는 일상 생활에서 정상화되고 항상 존재하게 되는 것이다.
마찬가지로, 가정식 퇴비화에서 일반적인 단점은 수반되는 노력의 양이다. 모든 필요한 퇴비 공급원료 물질은 퇴비 더비에 옮겨지고/지거나 수송될 필요가 있다. 일단 퇴비 더비가 에너지 및 따라서 열 생성을 시작하기에 충분히 커지면, 분해를 더 빠르고 더 완전하게 만들 차례가 필요하고, 이는 힘든 작업일 수 있다. 유기 물질이 충분히 분해되는 경우, 가정식 퇴비는 토지 개량에서 사용하기 위하여 운송되어야 한다. 가정식 퇴비화의 또 다른 단점은 보통 사람이 가정 환경에서 생성할 수 있는 사용 가능한 퇴비의 제한된 양이다. 생성된 퇴비의 제한된 양은 잠재적으로 제한된 사용이 되고, 따라서 보통 사람이 가정식 퇴비화의 노력에 헌신하게 할 동기는 낮을 수 있다.
이들 단점 때문에, 전통적으로, 제조 산업은 생분해 또는 퇴비의 가능성이 있는 원료 및 전구체 성분의 사용을 피해왔다. 추가로, 이는 이들 물질의 필요한 기술적 성능 특성이 전통적인 비생분해성 및 퇴비화 불가능한 종류의 것보다 자주 열등하기 때문에 전통적으로 피해왔다. 예를 들면, 전부는 아니지만 일부 퇴비화 가능한 전구체 성분의 제한 인자는 이들 성분에 있어서 제품의 사용 가능 기간의 종료 전에 파괴되고/되거나 분해되는 경향이 있을 수 있다. 이의 예는 자외선에 민감한 제품일 것이고, 따라서 생분해성 및 퇴비화 가능한 전구체는 반복된 일광 노출에 공격을 받고 약해질 수 있고, 이는 결국 최종 사용자가 제품을 처리할 준비가 되기 전에 제품 실패를 야기할 수 있다.
플라스틱의 문맥에서, 열가소성 및 화석 연료를 사용하여 생성된 다른 제품은 통상적으로 제조된 제품을 기계적으로 분쇄하고, 분쇄한 내용물을 용융시킨 다음, 제조에서 나중에 사용하기 위하여 수득된 물질을 펠릿화하는 것을 포함한다. 재활용이 화석 연료에 대한 필요 및 매립지로부터의 전환 제품을 감소시킴에도 불구하고, 재활용은 공급원료에 첨가된 오염물 또는 불순물의 결과로서 재활용된 중합체에서 품질의 손실을 야기할 수 있고, 대부분의 플라스틱 및 열가소성 제품은 한정된 횟수로만 재활용될 수 있다. 게다가, 통상적인 가요성 발포체의 제조에 사용되는 화학 발포제, 가교결합된 중합체, 및 화학 첨가제는 재활용된 제품의 제조에서 나중에 사용하기 위하여 이들의 구성 중합체로 파괴될 수 없는 최종 제품을 야기한다. 그 결과, 통상적으로 제조된 가요성 발포체 제품은 제품이 이의 사용 가능 기간의 종료에 도달했을 때 재활용 가능하지 않다.
추가로, 현대 제조에 대한 최근 관심은 배출 및 폐기에 관하여 총 중립적이고, 제조 공정에서 사용되는 물질에 관하여 지속 가능하고, 제품 및 이의 물질의 수명 종료에 관하여 재생 가능한 것이다. 예를 들면, CO2 배출에 관하여, 총 중립적인 것은 최종 제품의 퇴비화 가능성 이외에 소비자 제품의 제조에서 사용하기 위한 적절한 물질을 선택하는데 중요해질 수 있다.
결과적으로, 현재 존재하는 더 전통적인 제조 공정과 비교하여, 본 명세서에 개시된 본 발명의 제조 방법에 대한 핵심 동인은 제조자가 환경친화적인 최종 제품을 제조하고, 따라서 상기 최종 제품의 제조에서 사용되는 물질을 신중하게 생각하고 제품의 의도된 사용 가능 기간에 대하여 균형을 잡는데 유용해지는 것이다. 해결되어야 하지만 해결되지 않은 이들 문제의 제조 동안 문제가 되는 제품의 예는, 예를 들면, 쿠션재, 예를 들면, 가구에 사용하기 위한 것, 및/또는 발포체 제품, 예를 들면, 운동화의 제조에 사용하기 위한 것의 제조에서 발포체를 사용하여 표준 제조된 제품이다.
예를 들면, 운동화는 사용 빈도에 따라 아마 1 내지 3년 정도의 시간의 상당한 양에 걸쳐 충격, 마찰, 및 모든 방식의 환경적 노출과 같은 반복된 남용에 노출되는 고도로 기술적인 제품이다. 가구를 위한 쿠션재, 또는 운동화의 밑창, 중창 및/또는 안창을 위한 쿠션재의 제조에서 사용하기 위한 지속 가능한 물질을 고려할 때, 상기 요건을 고려하는 것이 중요하다. 실패 전에 반복된 남용을 관리할 수 없는 물질은 만족스러운 운동화 한 켤레를 제조할 수 없을 것이다. 추가로, 의도된 수명 종료 전에 규칙적인 제품 사용 동안 실패 지점에 파괴되거나 약화될 가능성을 갖는 임의의 물질은 허용되지 않을 것이다.
이 문제를 해결하기 위하여, 해로운 방출에 관하여 총 중립적(또는 감소적)인 기술적 성능 특성, 및 지속 가능성 측면, 예를 들면, 관리된 수명 종료 해결책을 가진 퇴비화 가능성의 올바른 균형을 가진 전문화된 물질을 구해야 한다. 특히, 가구 쿠션재는 부피가 크고 운동화는 수요 있는 제품이기 때문에, 가정식 퇴비화 물질은 낮은 파괴 온도가 이의 의도된 수명 종료 훨씬 전에 떨어져 나오는 경향이 있는 가구 또는 운동화로 옮겨갈 것이기 때문에 이들 제조에 사용하기에 적합한 해결책이 아닐 것이다. 이러한 예에서, 산업적 퇴비화되는 물질은 이들이 더 높은 온도 도전을 취급할 수 있고 이들의 산업적으로 퇴비화 불가능하고 비생분해성인 대응물과 거의 동일하거나 동일한 것보다 더 큰 기술적 성능 특성을 제공할 수 있기 대문에 훨씬 더 우수한 선택이다. 본질적으로, 산업적으로 퇴비화 가능한 물질로 제조된 가구 또는 운동화 한 켤레는 제품의 사용 가능 수명 동안 매우 잘 기능할 것이고, 제품의 사용 가능 수명의 종료시에만 "폐쇄형 루프" 폐기물 전환을 위한 산업적 퇴비 환경으로 보내지는 선택사항을 갖는 물질이다.
따라서, 가능한 경우, 제조 공정에 종종 수반되는 파괴적인 발자국을 감소시키기 위하여, 물질 및 제조 공정은 제품의 수명의 종료 후 퇴비화를 준비하는 것을 허용하는 방식으로 제제화되어야 한다. 그러나, 상기 기재된 바와 같이, 상업적으로 이용 가능한 매우 제한된 생분해성 및 퇴비화 가능한 전구체가 있기 때문에 이는 어렵다. 존재하는 것들은 본질적으로 이들의 사용 가능 수명의 종료시 제어된 환경에서 용이한 퇴비화 및 생분해가 가능하면서 성능 및 장기간 사용 가능성의 모든 조합된 문제점을 해결하도록 설계되지 않고 해결할 수 없다. 상기 언급된 문제점의 일부를 해결하는 이들 전구체는 다른 것들 해결하는데 실패하고, 이는 소비자에게 실망의 가능성 및 마찬가지로 이들이 함유된 제품에 좋지 않은 후기를 야기할 수 있다. 이러한 유의미한 단점들에도 불구하고, 산업 시설 또는 가정에서 퇴비화될 수 있는 물질은 이론적으로 재생 가능성, 지속 가능성, 및 청정 생산에서 유용한 시작 제품일 것이다.
본 제조 공정의 또 다른 측면은 가요성 발포체의 생산에 관한 것이다. 가요성 발포체는 액체 또는 고체 중에 기체 포켓을 포획함으로써 형성된 물체의 유형이고, 이로써 수득된 발포체는 부분적으로 이의 유연성으로 인하여 가요성으로 지칭된다. 가요성 발포체는 전형적으로 쿠션재 응용, 예를 들면, 신발, 가구, 침구, 및 다른 운동용품에서 사용된다. 가요성 발포체는 전형적으로 두 가지 범주에 속한다: 폐쇄 셀 가요성 열가소성 중합체 발포체 및 개방 셀 가요성 폴리우레탄 발포체. 각각의 이들 발포체 유형은 매우 상이한 제조 방법을 갖는다.
폐쇄 셀 가요성 열가소성 중합체 발포체는 적합한 인공적인 중합체를 선택하고, "도우"을 제조하기 위하여 다양한 화학 첨가제, 가교결합제, 및 화학 발포제와 블렌딩한 다음, 도우를 반죽하고, 평평한 시트로 압출하는 건식 공정으로 흔히 제조된다. 그 다음, 시트를 서로 위에 쌓고, 제어된 압력하에 가열된 프레스에 배치한다. 이러한 물질 및 화학 발포제의 혼합물은 가열된 프레스 캐비티의 내부에서 반응하고 팽창한다. 결과는 폐쇄 셀 가요성 발포체 "번(bun)" 또는 "블록"이고, 그 다음, 이를 두께에 맞춰 절단한다. 대조적으로, 개방 셀 가요성 폴리우레탄 발포체는 "번" 또는 "블록"과 같은 성형된 형상으로 부어지거나 주입되면서 흔히 인공적인 폴리올 화학물질, 이소시아네이트 화학물질, 및 다른 화학 첨가제가 함께 반응하는 액체 주입 공정 또는 액체 성형 공정에서 제조된다. 결과는 개방 셀 가요성 발포체이고, 그 다음 두께에 맞춰 절단된다.
상기와 일치하게, 오늘날 시판 중인 현재 이용 가능한 가요성 발포체가 가진 한 가지 문제점은 이들이 대부분 독점적으로 재생 불가능한 물질, 및 이의 제조에서 해로운 화학물질을 사용한다는 것이다. 추가로, 부분적으로 통상적인 가요성 발포체의 상기 기재된 제조 방법에서 일어나는 화학적 가교결합으로 인하여, 이들 가요성 발포체의 물리적 구조는 퇴비화되거나 생분해되거나 재활용될 수 없다. 이는 크게 부분적으로 근본적인 전구체 구성분으로 다시 분리되는 이들의 설계 및 이들의 불가능성의 화학적 조성으로 인한 것이다. 즉, 통상적인 가요성 발포체 수명의 종료시, 이는 추가의 사용을 갖지 않고, 임의의 공지된 상업적으로 실행 가능한 방법에서 성공적으로 새로운 물질로 재가공될 수 없다.
따라서, 상기의 관점에서, 재생 가능하고, 지속 가능하고/하거나 환경적으로 책임이 있는 최종 제품을 제조하는데 이용될 수 있는 가요성 발포체 및 제조 방법이 본 명세서에 제시되고, 이러한 물질 및 최종 제품은 둘 다 파괴 없이, 지속된 사용이 가능하지만, 수명 종료 후 빠르게 분해되고 퇴비화된다. 가요성 및 반가요성 발포체는 다 일반적으로 실온인 이들의 제공 온도 미만의 유리 전이(Tg)를 갖는 중합체로부터 유래되기 때문에, 둘 다 가요성 발포체의 동일한 범주에 포함될 수 있다. 하나 이상의 실시형태의 세부사항은 하기 수반된 설명 및 제시된 도면 및 이들의 특징과 관련하여 기재된다. 다른 특징 및 이점은 설명, 도면, 및 청구범위로부터 모두 명백할 것이다.
본 명세서는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 열가소성 수지로부터 다양한 가요성 발포체 조성물을 변형된 사출 성형된 초미세 발포하는 방법을 제시한다. 현재, 전세계적으로 대부분의 모든 공지된 가요성 발포체는 재생 불가능한 공급원료로부터 유래되고, 모두는 아니더라도 대부분 생분해성 또는 산업적으로 퇴비화되지 않는다. 본 발명의 목적은 최소량의 환경적 해로움을 유발하지만 통상적인 비생분해성 석유화학 가요성 발포체의 것과 동일하거나 그 이상의 유의미한 기술적 성능 특성을 갖는 가요성 발포체를 제조하는 것이다. 생중합체를 제조하는데 식물 유래 공급원료를 선택함으로써, 본 발명은 대기로부터 온실 가스를 격리시키는데 기여하고, 재생 불가능한 석유에 대한 의존성을 크게 감소시키며, 매년 매립지에서 끝나는 비생분해성 폐기물을 유의미하게 감소시킨다.
다양한 실시형태에서, 가정식 퇴비화가 시장에 따라 일부 경우에 사용될 수 있는 것이 가능하지만, 본 명세서에서 제조되는 가요성 발포체는 가정식으로 퇴비화되기 보다는 산업적으로 퇴비화되도록 구성될 수 있다. 다양한 경우, 산업적 퇴비화는 가요성 발포체가 수득된 제품의 사용 가능 수명을 지속할 것이고, 이는 마감된 제품에서 기능화되고 파괴되지 않거나 떨어져 나가지 않는 중간 사용임을 보장하기 때문에 유용하다. 예를 들면, 본 발명의 가요성 발포체로 만들어진 신발 한 켤레 를 구입하는 사람에게는 운동화의 사용 가능 수명의 종료 전에 규칙적인 사용 동안 발포체가 분해되는 것만이 해로울 것이다.
따라서, 하나의 측면에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 제조 방법은, 개방 셀이든 폐쇄 셀이든, 본 명세서에 제공될 수 있고, 하기 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 발포를 위한 열가소성 생중합체 블렌딩된 마스터배취(masterbatch)를 제조하는 단계; 열가소성 생중합체 블렌드를 불활성 질소 기체와 함께 적합한 금형 형상으로 사출 성형하는 단계; 동적 금형 온도 제어를 사용하여 최적 셀 구조를 보장하는 단계; 바람직한 가요성 발포체가 형성되도록 생중합체 용융, 압력, 및 시간을 제어하는 단계; 및 사출 성형 공정에서 기체 역압을 이용하여 최소량의 외관 불량 및 발포된 부품의 외부에 거의 없거나 없는 플라스틱 스킨을 갖는 최적의 발포체 구조를 보장하는 단계.
본 개시내용의 제조 공정은, 세심하게 선택된 생물 유래, 재생 가능하고, 재활용 가능한 공급원료와 협력하여, 환경친화적이고 폐쇄형 루프 공정에 대한 문을 연다. 이러한 폐쇄형 루프 공정은 물질 선택으로 시작한다. 예를 들면, 불활성이고 신속하게 재생 가능하고 세번째로 보증된 퇴비화 가능한 중합체 공급원료의 선택은 순환 경제의 원칙을 고수하도록 보장한다. 이들 목적을 위하여, 선택된 신속하게 재생 가능한 중합체 공급원료는 재생 가능한 식물 또는 광물 물질의 형태로서 이들의 수명을 시작하다. 적합한 중합체로 전환되면, 이들 환경적으로 책임이 있는 전구체는 개시된 제조 공정에서 이용될 수 있는 맞춤 제작된 생중합체 화합물으로 기능화하기 위하여 다른 환경적으로 책임이 있는 전구체 및 성분과 조합될 수 있다.
특히, 적합한 생중합체 화합물이 생성되면, 이는 본 개시내용의 무 화학물질 제조 방법에서 처리된다. 수득된 가요성 발포체는 가교결합되지 않고, 많은 경우, 생분해성이고 퇴비화 가능하다. 그 결과, 이들의 사용 가능 수명의 종료시, 이들 제조된 발포체는 세심하게 작은 조각으로 분쇄되고, 산업적으로 파괴를 위한 자격이 있는 시설에서, 예를 들면, 이들 조성물의 100%가 다시 이용 가능한 바이오매스로 돌아가도록 퇴비화될 수 있다. 그 다음, 이러한 사용 가능한 바이오매스는 더 불활성 및 신속하게 재생 가능한 중합체 공급원료 물질을 성장시키는데 사용될 수 있고, 공정은 끝이 없는 루프로 계속된다. 따라서, 본 명세서는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체(microcellular flexible foam) 및 이의 제조 방법을 기재한다. 발포체는 폐쇄 셀 발포체(closed-cell foam)일 수 있지만, 또한 잠재적으로 개방 셀 발포체(open-cell foam)로서 형성될 수 있다.
다양한 구현예에서, 통상적인 석유화학 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 발포체 등의 동일한 성질 및 특성을 갖고 바이오매스-탄소 함량의 높은 퍼센트를 함유하는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체가 만들어질 수 있다. 예를 들면, 가요성 EVA 발포체는 오늘날 산업에서 사용되는 아주 흔한 물질이다. EVA 발포체를 그렇게 흔하게 만든 것은 이의 상대적으로 낮은 비용 및 주어진 제품에 대하여 일반적으로 허용되는 기술적 성능 특성을 유지하는 처리의 용이성이다. EVA 발포체 사용의 단점은 많다. 물질은 흔히 재생 불가능한 공급원료로부터 유래되고, 이는 용이하게 생분해 가능하지 않고 퇴비화 가능하지 않고 재활용 가능하지 않은 가요성 발포체를 제조하기 위하여 화학 발포제와 화학적으로 가교결합된다.
원하는 물리적 성질 및 제품의 의도된 최종 사용에 따라 이용될 수 있는 다수의 구성 및 실시형태가 존재하고, 이는 본 개시내용에 의해 제한되지 않아야 한다.
본 명세서에 제시된 발전을 유용하게 만드는 하나의 요인은 생분해성 발포체가 EVA와 유사한 방식으로 수행하고, 화학 첨가제 및 가교결합이 없는 EVA의 것과 유사하다는 것이다. 결과는 흔한 EVA를 바로 대체할 수 있지만 대단히 감소된 환경적 충격 및 환경적으로 책임이 있는 관리된 수명 종료 해결책을 제공하는 상업적으로 허용되는 가요성 발포체이다.
따라서, 하나의 측면에서 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 성형품의 제조 방법이 제공된다. 다양한 경우, 방법은 하기 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 방법은 성형 장치의 배럴로 발포하기 위한 열가소성 생중합체 블렌딩된 마스터배취를 도입하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 초임계 유체를 생성하는 온도 및 압력 조건하에 유체를 배럴로 도입하는 단계로서, 이는 열가소성 생중합체 블렌딩된 마스터배취와의 접촉하에 열가소성 발포된 용융물을 생성하는, 단계를 더 포함할 수 있다. 추가로, 방법은 적합한 금형 형상의 캐비티로 열가소성 발포된 용융물을 주입하고, 기체 역압을 캐비티에 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 최종적으로, 캐비티를 냉각시켜 성형품을 제조할 수 있다.
다양한 경우, 열가소성 생중합체 마스터배취 중 하나 이상의 도입은 스프루 부싱을 통하고, 예를 들면, 열가소성 생중합체 블렌딩된 마스터배취는 이축 압출기를 통해 제조된다. 하나의 실시형태에서, 열가소성 생중합체 블렌딩된 마스터배취는 폴리락타이드산(PLA), 폴리하이드록시알카노에이트(PHA), 셀룰로스 아세테이트(CA), 전분, 및 석유 유래 열가소성 수지 중 하나 이상을 포함한다. 다양한 경우, 유체는 계량 유닛을 통해 배럴로 도입된다. 특정한 경우, 초임계 유체는 질소 및 이산화탄소 중 하나 이상을 포함한다. 초임계 유체는 압력이 약 150 bar 내지 약 300 bar 범위이고, 온도가 약 150℃ 내지 약 350℃ 범위인 압력 및 온도하에 도입될 수 있다. 마찬가지로, 기체 역압은 1초 내지 25초의 시간 길이 동안 적용된 약 5 bar 내지 약 50 bar 범위이다. 특정한 경우, 온도는 동적 금형 온도 제어를 통해 제어될 수 있다.
추가로, 또 다른 측면에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 성형품의 제조를 위한 사출 성형 장치가 제공된다. 다양한 경우, 사출 성형 장치는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 호퍼가 포함될 수 있고, 예를 들면, 호퍼는 복수의 열가소성 생중합체를 수용하고 성형 장치로 도입하도록 구성되고, 예를 들면, 열가소성 생중합체는 블렌딩되는 마스터배취를 형성한다.
계량 유닛이 포함될 수 있고, 예를 들면, 계량 유닛은 유체를 수용하고, 수용된 유체를 상기 도입시 초임계 유체를 생성하는 조건하에 성형 장치로 도입하도록 구성된다. 성형 장치는 이들이 배럴로 도입될 때, 열가소성 발포된 용융물이 초임계 유체가 배럴의 캐비티 내에서 블렌딩된 열가소성 생중합체 마스터배취와 접촉하여 생성되도록, 블렌딩된 열가소성 생중합체 마스터배취 및 유체를 수용하도록 구성된 제1 캐비티를 갖는 배럴을 포함할 수 있다. 기체 역압 전달 유닛이 또한 포함될 수 있고, 여기서 GCP는 발포된 용융물의 팽창을 제어하기 위하여 기체 역압을 제1 캐비티로 전달하도록 구성된다. 또한, 배럴의 캐비티와의 유체 소통되는 캐비티를 갖는 금형이 또한 포함될 수 있고, 여기서 금형의 캐비티는 발포된 용융물을 수용하고 용융이 냉각될 때 가요성 발포체 성형품을 생성하도록 구성된다.
다양한 실시형태에서, 사출 성형 장치는 배럴의 캐비티 내에서 발포된 용융물을 압축하고 압축된 발포된 용융물을 금형의 캐비티로 이송하도록 구성된 왕복 스크루(reciprocating screw)를 포함할 수 있다. 따라서, 배럴의 캐비티와 금형의 캐비티 사이의 도관이 존재할 수 있고, 여기서 도관은 배럴과 금형 사이의 밀봉을 형성하기 위하여 스프루 부싱을 갖는 노즐을 포함한다.
따라서, 사출 성형 장치는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 그 안에서 열가소성 물질이 소형 펠릿의 형태로 성형기로 공급되는 호퍼. 사출 성형기 상의 호퍼는 이들 펠릿을 홀딩한다. 펠릿은 호퍼로부터 호퍼 목을 통해 배럴 및 스크루 어셈블리로 중력에 의해 공급될 수 있다. 배럴이 또한 포함될 수 있고, 여기서 사출 성형기의 배럴은 왕복 가소화 스크루를 지지하고, 전기 가열기 밴드에 의해 가열될 수 있다.
왕복 스크루가 또한 존재할 수 있고, 여기서 왕복 스크루는 물질을 압축하고 용융시키고 이송하는데 사용된다. 왕복 스크루는 세 가지 영역을 포함할 수 있다: 공급 영역, 압축(또는 전이) 영역, 및 계량 영역. 노즐이 또한 존재할 수 있고, 여기서 노즐은 배럴을 금형의 스프루 부싱에 연결하고, 배럴과 금형 사이에 밀봉을 형성한다. 노즐의 온도는 물질의 용융 온도 또는 바로 그 아래로 설정될 수 있다. 배럴이 이의 완전 전방향 처리 위치에 있는 경우, 노즐의 반경은 위치설정 고리를 갖는 스프루 부싱에서 오목한 반경에서 삽입되고 밀봉될 수 있다. 배럴의 퍼징 동안, 배럴은 스프루로부터 빠질 수 있고, 따라서 퍼징 화합물은 노즐로부터 자유 낙하할 수 있다.
추가로, 금형 및 수압 시스템이 또한 제공될 수 있다. 금형 시스템은 타이 바, 고정형 및 이동형 플래튼뿐만 아니라 캐비티, 스프루 및 러너 시스템, 압출봉, 가열 및 냉각 채널, 및 온도 센서 및 압력 센서를 보유하는 성형 플레이트(베이스)로를 포함할 수 있다. 금형은 본질적으로 열 교환기이고, 여기서 용융된 열가소성 수지는 캐비티에 의해 원하는 형상 및 차원 세부사항으로 고체화된다. 금형을 개방 및 폐쇄하는 전력을 제공하고, 클램핑 톤수를 구성하고 유지하고, 왕복 스크루를 뒤집고, 왕복 스크루를 구동하고, 압출봉에 동력을 공급하고, 금형 코어를 이동시키기 위하여, 수압 시스템이 또한 사출 성형기에 존재할 수 있다. 다수의 수압 구성요소가 이러한 전력을 공급하기 위하여 필요하고, 이는 펌프, 밸브, 수압 모터, 수압 핏팅, 수압 배관 및 수압 저장소를 포함한다.
제어 시스템이 또한 제공될 수 있다. 제어 시스템은 기계 작동에서 일관성 및 반복성을 제공하도록 구성될 수 있다. 이는 온도, 압력, SCF 투입, 주입 속도, 스크루 속도 및 위치, 및 수압 위치를 포함하는 처리 파라미터를 모니터링하고 제어한다. 공정 제어는 최종 부품 품질 및 공정의 경제에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 공정 제어 시스템은 단순 중계 온/오프 제어부터 극도로 정교한 마이크로프로세서 기반의 폐쇄형 루프 제어까지의 범위일 수 있다.
클램핑 시스템이 또한 제공될 수 있다. 클램핑 시스템은 금형을 개방하고 폐쇄하고, 있고, 금형의 구성 부품을 지지하고 운송하고, 금형이 개방되는 것을 방지하는 충분한 힘을 생성하도록 구성될 수 있다. 클램핑 힘은 기계적(토글) 잠금장치, 수압 잠금장치, 또는 두 가지 기본 유형의 조합에 의해 생성될 수 있다. 전달 시스템이 또한 제공도리 수 있다. 용융된 플라스틱을 기계 노즐로부터 부품 캐비티로 통과시키는 것을 제공하는 전달 시스템은 일반적으로 스프루, 콜드 슬러그 웰, 주요 러너, 브랜치 러너, 게이트 등을 포함한다.
따라서, 추가의 측면에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 성형품을 제조하기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 상기 기재된 바와 같은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 성형품의 제조를 위한 사출 성형 장치를 포함할 수 있다. 시스템은 유체를 수용하고 수용된 유체를 상기 도입시 초임계 유체를 생성하는 조건하에 배럴의 제1 캐비티로 도입하도록 구성된 초임계 기체 투입 시스템을 추가로 포함할 수 있고, 여기서 제1 캐비티에서 초임계 유체가 블렌딩된 열가소성 생중합체 마스터배취와 접촉할 때, 초임계 유체는 발포된 용융물을 생성한다. 시스템은 하나 이상의 제1 및 제2 캐비티 내에 온도를 제어하도록 구성된 동적 온도 제어 시스템을 추가로 포함할 수 있다. 발포된 용융물의 팽창을 제어하기 위하여 기체 역압을 제1 캐비티에 전달하도록 구성된 기체 역압 전달 유닛이 또한 포함될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 마이크로프로세서를 갖는 제어 유닛이 포함될 수 있고, 여기서 제어 유닛이 하나 이상의 시스템 파라미터에 따라 사출 성형 장치, 초임계 기체 투입 시스템, 동적 온도 제어 시스템, 및 기체 역압 전달 유닛 중 하나 이상을 제어하도록 구성된다.
특히, 시스템 구성요소는 호퍼, 배럴, 왕복 스크루, 노즐, 금형 시스템, 수압 시스템, 제어 시스템, 클램핑 시스템, 및 전달 시스템을 포함하는 사출 성형기 시스템을 포함할 수 있다. SCF 기체 투입 시스템이 포함될 수 있고, 이는 불활성 기체, 예를 들면, 질소의 탱크, 공기 압축기, SCF 계량 및 제어 장치, SCF 주입기, 및 디자인 왕복 스크루, 및 전방 및 후방 역류방지 밸브 둘 다를 포함한다. 동적 온도 제어 시스템이 또한 제공될 수 있고, 이는 가열 유닛, 냉각 유닛, 순차 밸브, 및 컴퓨터 제어를 포함한다. 추가로, 금형의 본체 내에 위치한 발열체 및 냉각 채널이 있고, 이는 동적 온도 제어 시스템에 의해 가열 매질 또는 냉각 매질 순환을 통해 공급된다. 이들의 기능은 금형 표면 상의 온도의 조절이다. 그리고 기체 역압 시스템이 제공될 수 있고, 여기서 이는 기체, 예를 들면, 불활성 기체, 예를 들면, 질소의 탱크, 공기 압축기, 기체 펌프, 기체 완화 밸브, 기체 압력 센서, 및 컴퓨터 제어를 포함한다.
시스템 및/또는 이의 임의의 하위시스템은, 예를 들면, 온도, 압력, 가속도계, 자이로스코프, 및 방향 센서를 포함하는 하나 이상의 센서를 포함할 수 있고, 예를 들면, 여기서 하나 이상의 센서는 사출 성형 장치의 다른 구성요소 중 하나 이상과 소통하여, 예를 들면, 사출 성형 장치의 하나 이상의 캐비티 내에 위치하도록 구성된다. 다양한 실시형태에서, 센서는 스마트 센서일 수 있고, 무선 통신을 수행하기 위한, 예를 들면, 네트워크 연결과의 통신 모듈을 포함한다. 따라서, 시스템, 및/또는 임의의 이의 다양한 부품은 제어 모듈, 초임계 기체 투입 시스템, 동적 제어 온도 시스템, 및 기체 역압 제어 유닛 중 하나 이상에 커플링될 수 있는 통신 모듈을 포함할 수 있고, 예를 들면, 여기서 통신 모듈은 WIFI, 블루투스, 저에너지 블루투스, 및 3G, 4G, 및 5G 이동 통신을 포함하는 하나 이상의 무선 통신 프로토콜을 수행하도록 구성된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체 및 이의 생성 방법을 기재한다. 발포체는 바람직하게는 폐쇄 셀 발포체이지만, 또한 잠재적으로 개방 셀 발포체로서 형성될 수 있다. 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체 구조의 생성은 적합한 고성능 중합체, 예를 들면, 폴리아마이드 기원 등의 것들로 시작한다. 적합한 중합체의 비제한적인 예는 Ascend Performance Materials, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의하여 상표명 Vydyne으로 시판되는 폴리아마이드 66 공중합체이다. 적합한 중합체의 다른 비제한적인 예는 임의의 수의 폴리아마이드 블록 공중합체, 예를 들면, 폴리에터-블록-아마이드(PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA 등을 포함한다. 상기 언급된 열가소성 중합체는 본 발명의 초미세 가요성 발포체 구조를 형성하는데 유리한 기술적 특성을 나타냈다. 향상된 기술적 특성 중 일부는 다른 이득 중에서도 우수한 에이징 특성, 우수한 신장, 인장 강도 및 압축 변형을 포함한다. 추가로, 재활용된 공급원료는 본 발명의 적합한 재활용 가능한 중합체 또는 중합체 블렌드의 제조에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 하나의 측면에서, 재활용 가능한 가요성 발포체 열가소성 중합체는 소비 후 또는 산업 후 재활용된 공급원료로부터 유래된 적어도 하나의 단량체 또는 중합체, 예를 들면, 카프로락탐, 재활용된 폴리에터 블록 아마이드 중합체 등을 포함한다. 예시로서, 카프로락탐은 산업 후 또는 소비 후 물질 함유 폴리아마이드, 예를 들면, 어망, 카페트 섬유, 또는 산업 폐기물을 해중합(depolymerizing)함으로써 이러한 재활용된 공급원료로부터 유래될 수 있다. 소비 후 해중합된 또는 산업 후 재활용된 카프로락탐의 일부 예는, 플레이크, 액체 또는 용융물인지 여부와 관계 없이, Aquafil USA Inc.(미국 조지아주 카터스빌 소재)에 의해 제공된 ECONYL® 카프로락탐을 포함한다. 열가소성 중합체는 추가로 또는 대안적으로 수집되고 분류되고 용융되고 재가공된 산업 후 또는 소비 후 폴리아마이드 카페트 섬유로부터 유래된 폴리아마이드 중합체를 포함한다. 이의 예는 업사이클링된 사용 가능한 폴리아마이드 물질로 수집되고 분류되고 용융되고 재가공된 산업 후 폴리아마이드 카페트 섬유 등을 사용하는 것이다. 산업 후 카페트 섬유로부터 유래된 예시적인 폴리아마이드 중합체는 Aquafil USA Inc.(미국 조지아주 카터스빌 소재)에 의해 제조된 Econyl이다. 추가로, 폴리아마이드 폐기물은 전세계적으로 해양으로부터 또는 근처에서 어망의 형태로 수집될 수 있거나, 그 다음, 분류되고, 용융되고, 업사이클링된 사용 가능한 폴리아마이드 물질로 재가공될 수 있다. 수집된 산업 후 어망으로부터 유래된 예시적인 폴리아마이드 중합체는 Koninklijke DSM N.V.(네덜란드 헬렌 소재)에 의해 제조된 Akulon Repurposed이다. 본 발명의 목적은 가능하면 재활용된 중합체 공급원료를 사용하는 것이다.
최적의 폴리아마이드 단독은 적합한 발포제 및 발포 공정 없이 재활용 가능한 가요성 발포체를 제조할 수 없다. 오늘날 사용되는 가장 널리 공지된 발포제는 아조다이카본아마이드(ADA)로 지칭되는 화학물질이다. ADA는 전형적으로 통상적인 사출 성형 발포체 공정에서 사용하기 위한 통상적인 열가소성 마스터배취 수지로 미리 함침된다. 불행하게도, ADA는 환경친화적이지 않고, 발암물질로 의심된다. 게다가, ADA를 사용하는 통상적인 발포 공정은 제조 공정 동안 가교결합되고, 따라서 재활용 가능하지 않은 가요성 발포체의 유형을 생성한다. 재활용 가능한 가요성 발포체를 달성하기 위하여, 불활성 질소 기체 또는 이산화탄소는 변형된 사출 성형 공정에서 물리적 발포제로서 사용된다. 변형된 물리적 발포 공정은 중합체 또는 블렌딩된 중합체 및 발포제가 재활용 가능한 가요성 발포체에 대하여 조화롭게 작용하도록 적합한 열가소성 중합체 또는 블렌딩된 중합체 마스터배취와 협력하여 사용된다. 본 발명의 바람직한 사출 성형 공정은 중합체 및 초임계 유체(supercritical fluid: SCF)의 단일상 용액이 주입 게이트를 통해 변형된 사출 성형기의 금형 캐비티로 통과할 때 발생하는 균질한 셀 핵형성을 이용한다. 용액이 금형으로 진입함으로써, 압력은 저하되고 이는 SCF가 용액 생성 셀 핵의 밖으로 나오는 것을 유발한다. 그 다음, 셀은 물질이 금형을 충전할 때까지 성장하고, SCF의 팽창 능력은 팽창된다. 이러한 제조 공정은 중합체로의 SCF의 계량, 전달, 및 혼합을 허용하여 단일상 용액을 생성하도록 변형된 사출 성형기에서 작동된다. 동적 금형 온도 제어(dynamic mold temperature control: DMTC)는 팽창되는 중합체 용융물 내의 일정한 셀 구조를 보장하기 위하여 사용된다. DMTC는 금형의 본체 내에 위치한 발열체 및 냉각 채널로서 가장 잘 설명될 수 있고, 이는 동적 온도 제어 시스템에 의해 가열 매질 또는 냉각매질 순환을 통해 공급된다. 이의 기능은 금형 표면 상의 온도의 조절이다. 기체 역압(gas counter pressure: GCP)은 또한 수득된 가요성 발포체 상의 스킨이 거의 없거나 없는 최적의 발포체 구조를 보장하기 위하여 공정에서 사용된다. GCP는 용융물 내의 기체의 팽창에 대응하는 질소 기체와 함께 주입된 가압된 금형 캐비티를 포함하는 공정으로서 가장 잘 설명될 수 있다. 역압이 방출됨에 따라, 표면을 통상적으로 돌파하는 기포는 내부에 포획되어, 매끄러운 스킨을 생성한다. GCP는 표면 품질, 발포체 구조, 및 스킨 두께를 통해 발포를 제어한다.
SCF가 용융된 중합체 중에 완전히 용해되고 균일하게 분산된 단일상 용액의 생성은 세심하게 제어된 공정 조건하에 주입 배럴 내부에서 일어난다: SCF는 고정된 양의 시간 동안 중합체로 계량된 정확하게 질량 흐름이어야 한다. 그리고 투입 기간 동안, 온도, 압력 및 전단의 올바른 조건이 배럴 내에 반드시 확립되어야 한다. 배압, 스크루 속도 및 배럴 온도 제어뿐만 아니라 기체 역압 및 SCF 전달 시스템은 모두 단일상 용액을 생성하는 공정 조건을 확립하는데 중요한 역할을 한다.
재활용 가능한 무 화학물질 가요성 발포체를 제조하는데 사용되는 열가소성 중합체는 임의의 수의 폴리아마이드 또는 폴리아마이드 공중합체 등으로부터 임의로 생성될 수 있다. 적합한 중합체의 비제한적인 예는 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 6/6-6, 및 폴리아마이드 12를 포함한다. 대안적으로, 열가소성 중합체는 임의의 수의 폴리아마이드 블록 공중합체, 예를 들면, 폴리에터-블록-아마이드(PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA 등을 포함할 수 있다. 임의의 적합한 중합체 유형은 필요한 경도, 중간 용융 흐름, 높은 신장, 및 재활용 가능성을 만족시키는 조건으로 본 발명에서 이용될 수 있다.
추가로, 둘 이상의 열가소성 중합체의 블렌드는 단일 중합체에서 찾을 수 없는 성질과 가격의 조합을 제공한다. 중합체를 함께 성공적으로 블렌딩하는 다수의 방식이 있다. 하나의 방법은 이축 압출을 사용하여 둘 이상의 중합체 수지를 함께 용융시킨 다음, 용융된 중합체 수지 블렌드는 스트랜드로 압출하고 이를 냉각시켜 마스터배취라 불리는 펠릿화된 조각의 어레이를 생성하기 위한 펠릿화 장치에 공급한다. 중합체 수지 블렌딩의 또 다른 방법은 상용화제를 사용하여 중합체 블렌드 중에 화학과 달리 조합하는 것이다. 이는 이축 압출 등을 사용하여 상용화제 및 둘 이상의 중합체를 상기 기재된 비제한적인 열가소성 중합체 유형 중에서 함께 용융시킬 수 있다.
하나의 실시형태에서, 방법은 발포체를 하나 이상의 단량체로 해중합함으로써 가요성 발포체를 재활용하는 단계를 포함한다. 해중합 공정은 재활용 가능한 발포체의 열가소성 중합체를 폐기물로부터 기계적으로 분리하는 단계, 해중합 촉매를 분리된 열가소성 중합체에 도입하는 단계, 열가소성 중합체 및 촉매를 가열하여 증류액, 분리된 물 및 다른 부산물로부터 수득된 단량체를 생성하는 단계, 수성 단량체를 산화시키는 단계, 산화된 수성 단량체를 농축하는 단계, 농축된 단량체를 정제하는 단계, 및 단량체를 재중합시켜 재활용 가능한 가요성 발포체의 제조 방법에서 사용하기 위한 열가소성 중합체를 생성하는 단계를 포함한다. 수득된 단량체는 카프로락탐 또는 열가소성 중합체로 재중합될 수 있는 다른 단량체를 포함할 수 있다.
응용에 따라, 첨가제는 또한 중합체 제제화에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 침전 탄산칼슘, 울리틱 아라고나이트(oolitic aragonite), 전분, 바이오매스 등과 같은 충전제는 마감된 가요성 발포체의 재활용 가능한 무결성을 유지하면서 비용 부분을 감소시키는데 이용될 수 있다.
추가로, 중합체 제제화에서 사용하기 위한 추가의 첨가제는 하기 중 하나 이상을 포함할 수 있다, 핵형성제, 예를 들면, 마이크로 판상 탤크 또는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트가 포함될 수 있다. 이러한 핵형성제는 다른 유리하게 향상된 특징 중에서도 셀 병합을 방지하고, 벌크 밀도를 낮추고, 충돌 탄성을 개선시킴으로써 수득된 가요성 발포체의 주요 성질을 크게 개선시킬 수 있다. 재활용 가능한 무 화학물질 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조에서 사용하기 위한 핵형성제의 몇몇 비제한적인 예는 Imerys Talc America Inc.(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의해 Mistrocell®로 시판되는 마이크로 판상 탤크 및 Calcean Minerals & Meterials LLC(미국 앨라배마주 개즈던 소재)에 의해 OceanCal®로 시판되는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트이다.
착색제, 염료, 및 안료가 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 다양한 착색제, 예를 들면, 염료 또는 안료는 본 발명의 중합체 제제화에서 사용될 수 있다. 몇몇 비제한적인 예는 열가소성 중합체 사용의 특정한 유형을 위해 맞춤 제작된 안료, 예를 들면, Treffert GmBH & Co. KG(독일 빙겐 암 라인 소재)에 의해 제공된 광범위한 것들 또는 Holland Colours Americas Inc.(미국 인디애나주 리치몬드 소재)에 의해 제공되는 것들이다.
하나 이상의 실시형태의 세부사항은 하기 첨부된 설명에 기재된다. 다른 특징 및 이점은 설명 및 청구범위로부터 명백할 것이다.
이들 및 다른 측면이 이제 하기 도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 구현예에 따른 발포된 신발 구성요소, 즉, 신발 중창을 도시한 도면;
도 2는 신발에 적합한 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 제조를 위한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 시스템의 개략도를 도시한 도면;
도 3은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 흐름도;
도 4는 운동화용 중창을 생성하도록 본 개시내용에 따라 사출 성형된 재활용 가능한 가요성 발포체를 도시한 도면;
도 5는 도 4에 도시된 재활용 가능한 가요성 발포체의 제조를 위한 사출 성형기의 도면을 도시한 도면;
도 6은 도 4에 도시된 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 흐름도; 및
도 7은 도 6의 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 실시형태와 관련되어 가요성 발포체를 재활용하는 단계를 보여주는 흐름도.
다양한 도면에서 유사한 참조 기호는 유사한 요소를 나타낸다.
도 1은 본 개시내용의 구현예에 따른 발포된 신발 구성요소, 즉, 신발 중창을 도시한 도면;
도 2는 신발에 적합한 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 제조를 위한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 시스템의 개략도를 도시한 도면;
도 3은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 흐름도;
도 4는 운동화용 중창을 생성하도록 본 개시내용에 따라 사출 성형된 재활용 가능한 가요성 발포체를 도시한 도면;
도 5는 도 4에 도시된 재활용 가능한 가요성 발포체의 제조를 위한 사출 성형기의 도면을 도시한 도면;
도 6은 도 4에 도시된 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 흐름도; 및
도 7은 도 6의 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조 방법의 실시형태와 관련되어 가요성 발포체를 재활용하는 단계를 보여주는 흐름도.
다양한 도면에서 유사한 참조 기호는 유사한 요소를 나타낸다.
본 명세서는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체, 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체 및 이의 제조 방법을 기재한다. 발포체는 바람직하게는 폐쇄 셀 발포체이지만, 또한 잠재적으로 개방 셀 발포체로서 형성될 수 있다. 다양한 구현예에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능하고 재활용 가능한 가요성 발포체는 바이오매스-탄소 함량의 높은 퍼센트를 함유하면서 통상적인 석유화학 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 발포체 등의 동일한 성질 및 특성을 갖도록 만들어질 수 있다.
생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 및 이의 제조 방법
본 개시내용은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체를 생성하기 위한 공정 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 발포는 액체 또는 고체 중에 기체의 포켓을 포획하는 것을 포함하는 공정으로 기재된다. 일반적으로, 산업은 경량 중합체성 물질을 제조하는데 발포를 사용한다. 이는 발포된 물질이 그 중에서도 연질 쿠션재, 편안함, 및 충격 보호와 같은 다수의 부가 가치를 부여하기 때문에 많은 유형의 제품에 유리한 해결책이다.
다양한 경우, 초미세 발포체로 물질을 발포하는 것이 유용하다. 초미세 발포체는 많은, 예를 들면, 수십억개의 작은 기포를 함유하도록 특히 제작된, 제조된 플라스틱의 한 형태이고, 이는 크기가 약 50 미크론 미만일 수 있다. 이러한 유형의 발포체는 기체를 고압하에 다양한 유형의 중합체에 용해시켜 일반적으로 핵형성으로 언급되는 기포의 균일한 배열을 유발함으로써 형성된다. 초미세 발포체의 밀도를 제어하고 조절하기 위한 주요 원동력은 이들을 생성하는데 사용되는 기체이다. 사용되는 기체에 따라, 발포체의 밀도는 미리 가공된 바이오플라스틱의 약 5% 내지 약 99% 중 어느 것일 수 있다.
따라서, 다양한 경우, 발포체는 폐쇄 셀 발포체인 것이 유용하다. 폐쇄 셀 발포체는 일반적으로 이의 벽으로 완전히 둘러싸이고 따라서 다른 셀과 서로 연결되지 않은 셀로 공지된다. 이러한 유형의 물질은 셀을 통해 흐르는 액체 및 기체 흐름을 효과적으로 감소시키기 때문에 유용하다. 폐쇄 셀 발포체, 예를 들면, 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조된 것은 액체 내성이 중요한 산업, 예를 들면, 쿠션재, 신발, 해양, HVAC 및 자동차 사용에서 유용하다.
그러나, 다양한 경우, 발포체는 개방 셀 발포체인 것이 유용할 수 있다. 개방 셀 발포체는 일반적으로 이의 셀의 절반 이상이 개방되고 다른 셀과 서로 연결된 경우 "개방 셀"로 분류된다. 본 명세서에 개시된 방법에서 제조되고 이용될 수 있는 이러한 유형의 발포체는 폐쇄 셀 발포체보다 더 스프링같이 작동한다는 점에서 유용할 수 있고, 이는 압축 후 이의 원래 상태로 용이하게 되돌아간다. "탄력성"은 제한되지 않은 공기 움직임과 화학적 조성에 의해 유발된다.
특정한 경우, 기재된 방법에 따라, 생성된 발포체 및 이로부터 제조된 제품은 가요성 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 발포체와 유사한 방식으로 기능한다. 특히, 가요성 EVA 발포체는 오늘날 산업에서 사용되는 흔히 있는 물질이다. EVA 발포체를 그렇게 흔하게 만든 것은 이의 상대적으로 낮은 비용 및 주어진 제품에 대하여 일반적으로 허용되는 기술적 성능 특성을 유지하는 처리의 용이성이다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 방식으로 제조된 발포체는 허용될 뿐만 아니라 종종 더 뛰어난 기술적 성능 제품을 유지하면서, 동시에 환경친화적으로, 제조의 용이성과 함께 상대적으로 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
더 특히, 상기 나타낸 바와 같이, EVA 발포체 사용의 단점은 많다. 물질은 흔히 재생 불가능한 공급원료로부터 유래되고, 이는 용이하게 생분해 가능하지 않고 퇴비화 가능하지 않고 재활용 가능하지 않은 가요성 발포체를 제조하기 위하여 화학 발포제와 화학적으로 가교결합된다. 그러나, 가요성 EVA 발포체와 달리, 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체는 화학물질 또는 가교결합제를 함유하지 않고, 이들은 적절한 생물 유래 중합체가 이의 제조에서 사용되는 경우, 용이하게 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능하다.
예를 들면, 다양한 구현예에서, 통상적인 석유화학 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 발포체 등과 유사한 성질 및 특성을 갖고, 여전히 바이오매스-탄소 함량의 높은 퍼센트를 함유하도록 제조될 수 있는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체가 본 명세서에서 제시된다. 특히, 다양한 실시형태에서, 생분해성이고 총 중립적이고 산업적으로 퇴비화 가능한 발포체 전구체가, 예를 들면, 환경친화적인 방식으로, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하는데 사용된다. 이들 목표를 달성하기 위하여, 임의의 수의 적합한 생물 유래 열가소성 공급원료가 사용을 위해 선택될 수 있고, 이는 동물 사료 또는 인간 식품과 전형적으로 경쟁하지 않는 신속하게 재생 가능한 공급원료로부터 공급될 수 있다. 유리하게는, 기재된 바와 같이, 세심하게 선택된 생물 유래 열가소성 발포체 전구체는 통상적으로 사용된 EVA의 것과 거의 동일하거나 동일한 기술적 성능 특성을 갖는다.
통상적인 재생 불가능한 EVA의 것과 거의 동일하거나 동일한 기술적 성능 특성을 갖는 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 제조에서 사용하기 위한 이러한 적합한 열가소성 공급원료의 비제한적인 예는 하기 기재된 바와 같은 생물 유래 PBAT 코-폴리에스터이다. 따라서, 다양한 경우, 본 발명의 장치, 시스템, 및 이의 사용 방법은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 생물 유래 열가소성 수지로부터 생성될 수 있는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체를 제조하기 위하여 이용될 수 있다.
더 특히, 개시된 방법에 따라 유용한 발포체 전구체는 임의의 적합한 유형의 열가소성 수지, 예를 들면, 신속하게 재생 가능한 공급원료로부터 제조된 생물 유래 열가소성 수지 또는 생물 유래 열가소성 화합물일 수 있다. 이러한 열가소성 수지는 가열하는 경우, 용융되고 액체로 변하고, 냉각시키는 경우, 경화되고 고체로 변하는 미정제 부정형 중합체이다.
열가소성 수지의 생성은 단순한 작업이 아니다. 최종 제품을 만들기 위하여 복잡한 화학 및 기계적 공정이 필요하다. 이의 가장 단순한 형태에서, 열가소성 수지는 중합체로 만들어지고, 이들 중합체는 화합물로 만들어진다. 중합체를 만든 다음, 열가소성 수지를 만드는데 필요한 화합물을 제조하기 위하여, 상이한 유형의 분자는 파괴되고 분리되어야 한다. 전형적으로, 발포체 전구체는 적합한 사출 성형기로 공급하여 과립 형태로 제조함으로써 사용된다. 과립은 사출 성형기를 통해 가공되고, 여기서 이들은 액화되고 미리 형성된 금형 캐비티로 발사된다. 발사 완료 후, 성형된 부품은 냉각되고, 금형으로부터 고체 상태로 추출되고, 본 발명의 실시형태에서 실시된 바와 같은 이러한 공정은 하기 본 명세서에서 더 상세하게 논의된다.
생물 유래 열가소성 수지는 부류에 의해 기재될 수 있다. 흔한 부류는 바이오계 열가소성 전구체 및 바이오매스의 부류이다. 바이오-폴리에스터의 두 가지 유형이 있다: 폴리락타이드산(PLA) 및 폴리하이드록시알카노에이트(PHA). PLA는 박테리아의 발효를 통해 만들어지는 열가소성 수지의 유형이다. PLA는 실제로 많은 락트산 분자의 장쇄이다. 몇 가지만 예로 들자면, 사탕수수, 옥수수, 사탕무, 및 리그닌 목재 폐기물과 같은 PLA의 제조를 위한 많은 상이한 생물 유래 공급원료가 있다. PHA는 일반적으로 자연적으로 발생하는 박테리아 및 식품 폐기물에 의해 생성된다. 또한 광범위하게 이용 가능한 PHA의 한 종류인 폴리하이드록시부티레이트(PHB)라 불리는 PHA의 하위부류가 있다.
일부 경우, 이들의 포함은 전분 또는 셀룰로스 충전제 등은 블렌드를 더 경제적으로 만들고, 일부 경우, 이들의 사용은 분해 속도를 향상시키기 때문에, 바이오-폴리에스터 블렌드의 형성에 포함될 수 있다. 생물 유래 열가소성 수지의 추가의 유형은 셀룰로스 아세테이트(CA)로 공지된다. CA는 식물의 각각의 부분에서 찾을 수 있는 셀룰로스로부터 유래된 합성 생성물이다. CA를 만드는데 현재 사용되는 공급원료는 몇 가지만 예로 들자면 면, 목재, 및 농작물 폐기물이다. 추가로, 전분은 또 다른 유형의 열가소성 물질이다. 전형적으로, 전분은 열, 물, 및 가소제로 처리되어 열가소성 수지를 생성한다. 강도를 부여하기 위하여, 전분은 일반적으로 다른 물질로 만들어진 충전제와 조합된다. 전문을 제조하는데 현재 이용 가능한 공급원료는 옥수수, 밀, 감자, 및 카사바이다. 몇몇 석유 유래 열가소성 수지가 또한 생분해성일 수 있는 것으로 공지된다. 일반적인 유형은 폴리부틸렌 석시네이트(PBS), 폴리카프로락톤(PCL), 및 폴리부티레이트 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT), 및 폴리비닐 알코올(PVOH/PVA)이다. 상기 언급된 석유 유래 열가소성 수지는 생물 유래 종류로 제조될 수 있다. PBS, PCL, PBAT, 및 PVOH/PVA를 제조하기 위한 새로운 생물 유래 공급원료가 제조 중이고, 기술적 발달 및 돌파 덕분에 더욱 더 상업적으로 이용 가능해지고 있다. 이들 전구체 중 하나 이상은 본 명세서에 개시된 방법에 따라 생성되고 이용될 수 있다.
전구체가 생성되면, 이들은 하나 이상의 최종 생성물을 제조하기 위하여, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 예를 들면, 사출 성형 공정을 통해, 발포되고 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 경우, 생물 유래 열가소성 전구체는, 예를 들면, 사출 성형에 의해 최종 제품 제조 공정에서 발포되고 사용될 수 있다. 직접 사출 팽창된 발포체 성형으로도 공지된 통상적인 발포체 사출 성형에서, 열가소성 중합체를 먼저 용융시킨다. 열가소성 중합체가 고르게 용융되었을 때, 화학 발포제를 중합체 용융물에 분산시켜 발포 가능한 주입 화합물을 만든다.
그 다음, 균질한 중합체 화합물을 금형에 주입하여 발포체 생성물을 만든다. 전형적으로, 주입된 중합체 화합물은 가열된 금형 캐비티에서 흡열 반응이 화학 발포제를 활성화시키고, 팽창된 발포체 부품을 수득하기 전까지 발포체로 분류되지 않는다. 그 결과, 금형 캐비티 크기는 최종 부품 크기보다 작아야 한다. 실제 부품 팽창은 열가소성 중합체 제형 내에서 생성되고, 따라서 부품이 금형으로부터 방출되었을 때, 이는 필요한 부품 크기로 성장한다.
필요한 부품 크기가 실현되면, 이것이 냉각됨에 따라 수축하거나 줄어들고, 이는 정확한 냉각된 부품 크기를 수득하기 위한 2차 성형 작업을 종종 필요로 한다. 그 결과, 통상적인 사출 성형 발포체의 팽창-수축을 관리하는 공정은 지루하고, 시간 소비적이며, 복잡한 것으로 간주될 수 있다. 이러한 사출 성형 기술은 본 명세서에서 논의된 바와 같이 전구체 및 발포체, 뿐만 아니라 이로써 제조되는 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 특정한 경우, 통상적인 사출 성형기는 발포체 제품, 예를 들면, 가구 쿠션재, 신발 구성요소, 운동 장비 등을 제조하는데 사용될 수 있는 환경친화적인 발포체를 생성하기 위하여, 변형된 공정에서 사용될 수 있는 생분해성, 총 중립적 발포체 전구체의 사용을 더 잘 유발하기 위하여, 본 명세서에서 논의된 바와 같이 변형될 수 있다.
따라서, 통상적인 공정이 발포된 제품을 제조하는데 유용할 수 있음에도 불구하고, 특정한 경우, 특히 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조에 관하여, 일부 단점을 겪을 수 있다. 에를 들면, 다양한 경우, 전형적인 사출 성형 공정은, 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하는데 퇴비화 가능한 생물 유래 열가소성 수지를 사용하는 경우, 다양한 상이한 방식으로 부족할 수 있다. 예를 들면, 상기 언급된 통상적이고 변형되지 않은 발포체 사출 성형 공정은 생분해성이고 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하는데 부족하고 적합하지 않을 수 있다. 이에 대한 주된 원인은 중합체 화합물이 이의 제조 동안 가교결합되는 통상적인 변형되지 않은 발포체 사출 성형의 그 성질로부터 기인한다.
상기 나타낸 바와 같이, 가교결합은 무작위로 발생하는 몇몇 중합체 사슬의 부품을 함께 잡고 있는 공유 결합의 형성으로서 설명될 수 있다. 결과는 발포체 매트릭스 내에 서로 연결된 사슬의 무작위 3차원 네트워크이다. 이러한 가교결합된 발포체는 용이하게 가교결합될 수 없고, 따라서, 다양한 전구체 성분은 용이하게 이들의 개별 유형으로 다시 분리되고 생분해되고 퇴비화될 수 없다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 이점은 발포 장치 및 제조에서 이의 사용 방법의 변화 없이 용이하게 달성되지 않을 것이다. 따라서, 사출 성형 공정에서 비가교결합 전구체를 이용하는데 적합한 방식으로 발포체를 생성하기 위한 제조 기계 및 이의 사용 방법이 본 명세서에 제시된다.
그 결과, 하나의 측면에서, 신규한 사출 성형기가 본 명세서에 제시된다. 성형기는 생물 유래 열가소성 전구체를 포함하여 다양한 가요성 발포체 조성물을 사용하도록 구성될 수 있고, 이는 신규한 사출 성형기에 전구체를 적용함을 통해 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체 구조를 제조하는 방식으로 발포될 수 있고, 이는 그 다음, 하나 이상의 가요성 발포된 제품을 제조하는데 사용될 수 있다. 따라서, 하나의 측면에서, 신규한 사출 성형기가 제공된다.
본 개시내용의 제조 기계를 구별하는 인자의 일부는 부착될 수 있고 따라서 표준 사출 성형기를 변형하고 개선시키는 초미세 기체 투입 시스템과 커플링된 전문화된 보조 장치의 사용이다. 본질적으로, 본 명세서에 제시된 바와 같이, 표준 사출 성형기는 본 개시내용에 따라 적합한 방식으로 기능하도록 점검되고 재정비되었다. 일반적인 변형 방법은 초임계 불활성 기체, 예를 들면, 질소, CO2, 및/또는 비반응성 및/또는 불활성 기체를 취급할 수 있도록 사출 성형기의 사출 성형 스크루를 변형하는 것으로 시작한다.
그 다음, 기체 투입 시스템을, 예를 들면, 온도 제어된 금형 캐비티에 주입하기 전에, 적절한 기체를 적절한 양으로 스크루 내에 중합체 용융물에 투입하기 위하여 사출 성형기에 장착할 수 있다. 추가로, 전문화된 금형 캐비티가 이용될 수 있고, 여기서 금형의 열적 온도 사이클링은 수득된 발포체 외부 스킨 질감 및 스킨 두께를 더 잘 제어할 수 있을 뿐만 아니라 부품 제조를 위한 사이클 시간을 감소시킬 수 있다. 추가로, 금형에 발사되는 액체 중합체 용융물에 대응하는 금형으로 다시 불활성 기체를 가하기 위하여 보조 기체 역압 시스템이 사출 성형기에 장착될 수 있다.
이러한 역압은 용융된 주입 샷이 완전하게는 아니지만 실질적으로 금형 캐비티를 충전하고 일부 뒤틀림 및 수축을 방지하는 것을 보장할 뿐만 아니라 셀 분포 및 셀 밀도를 제어하는데 유용하다. 추가로, 적절한 역압은 부품의 스킨 질감 및 스킨 두께에 유리한 영향을 미친다. 그 결과, 부품이 금형 캐비티로부터 방출되는 경우, 뚜렷한 수축 및 성형된 발포체 부품을 즉시 사용하는데 필요한 이차적인 단계가 없다. 유리하게는, 부품은 가교결합되지 않고, 그 결과, 이는 적합한 생물 유래 중합체 화합물이 발포체 생성에서 사용된다는 것을 조건으로 생분해되거나 퇴비화될 수 있다.
상기 관점에서, 하나의 측면에서, 본 개시내용은 생분해성이고 퇴비화 가능한, 예를 들면, 산업적으로, 초미세 가요성 발포체 구조의 생성에 관한 것이다. 특히, 하나의 실시형태에서, 공정은 적합한 생중합체 또는 생중합체 블렌드로 시작한다. 예를 들면, 다양한 경우, 생중합체는 생물학적 물질로부터 화학적으로 합성되거나 생물체에 의해 완전히 생합성되는, 천연 공급원으로부터 제조된 하나 이상의 중합체일 수 있다.
주로 두 가지 유형의 생중합체가 있는데, 하나는 생명체로부터 수득된 것이고 다른 하나는 재생 가능한 자원으로부터 제조되지만 중합이 필요한 것이다. 생명체에 의해 생성된 것은 단백질 또는 탄수화물을 포함한다. 합성 중합체와 달리, 생중합체는 뚜렷이 식별되는 구조를 갖는다. 이러한 유형의 중합체는 이들의 화학적 구조를 기반으로 구별된다. 본 개시내용의 생중합체를 특히 유용하게 만드는 것은 이들이 기술적 성능 특성의 관점에서 재생 불가능한 EVA를 밀접하게 모방한다는 것이다.
마찬가지로, 특정한 경우, 생중합체 블렌드는 발포체 구조를 생성하는데 사용될 수 있으며, 여기서 생중합체 블렌드는 둘 이상의 생중합체의 맞춤 화합물일 수 있다. 생중합체의 몇몇 비제한적인 유형은 당계 생중합체, 전분계 생중합체, 합성 물질을 기반으로 한 생중합체, 및 셀룰로스계 생중합체이다. 생중합체 블렌딩된 조합의 전형적인 비는 제조된 제품의 유형 및 수득된 부품의 기술적 특성에 따라 좌우될 것이다.
더 특히, 특정한 실시형태에서, 발포체 전구체로서 사용되는 생중합체 블렌드는 복수의 수지, 예를 들면, 경화 후, 용융물에 중합체에 첨가될 수 있는 하나 이상의 고체 또는 점성 물질을 포함한다. 따라서, 중합 또는 경화 후, 수지는 중합체를 형성한다. 예를 들면, 적합한 수지는 지방족 및 지방족-방향족 코-폴리에스터 기원 중 하나 이상일 수 있다. 일반적으로 말하면, 지방족 또는 지방족 화합물은 탄소 원자가 방향족 고리 대신에 열린 사슬을 형성하는 유기 화합물에 관한 것이거나 이를 나타내는 것이다. 마찬가지로, 적합한 지방족-방향족 화합물은 일반적으로 탄소 원자의 열린 사슬(지방족 부분) 및 원자의 안정한 고리 또는 고리들(방향족 부분)의 무작위 조합이다.
전형적으로, 최근 기술적 발전이 생분해에서 이의 증가 및 추가적인 보조에 대하여 큰 유망성을 보여주고 있긴 하지만, 사슬에서 방향족 산의 양은 49% 미만이다. 지방족-방향족의 예는 임의의 수의 재생 불가능한 공급원료 및 재생 가능한 공급원료로부터 제조될 수 있는 지방족-방향족 코폴리에스터(AAPE)이지만, 재생 가능하게 공급된 AAPE가 특히 유용하다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 이들 지방족 중 하나 이상 및/또는 지방족은 코-폴리에스터 기원의 것일 수 있다. 이러한 코-폴리에스터는 폴리에스터가 변형되는 경우, 생성된다. 예를 들면, 코-폴리에스터는 하나의 이산 또는 다이올이 중합 공정에서 사용되는 경우, 제조된다. 지방족-방향족 코-폴리에스터의 경우, 전구체 변화의 조합은 본질적으로 지방족-방향족 사슬을 가수분해하거나 "브릿지"하고 중합 공정에서 하나 이상의 추가의 전구체를 조합하도록 만든다.
적합한 생중합체 블렌드의 비제한적인 예는 폴리락트산(PLA) 및 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT)이다. 폴리락트산(PLA)은 재생 가능한 바이오매스로부터 유래된 생분해성 열가소성 지방족 폴리에스터이다. PLA의 생성에 사용되는 전형적인 공급원료는 발효된 식물 전분, 예를 들면, 옥수수, 카사바, 사탕수수, 사탕무 펄트, 및 더 적은 정도의 리그닌 목재 폐기물을 포함한다. 마찬가지로, 폴리부틸렌 아디페이트 테레프탈레이트(PBAT)는 생분해성 무작위 공중합체, 구체적으로 아디프산, 1,4-부탄다이올 및 테레프탈산으로부터 흔히 유래되는 코-폴리에스터이다. 재생 불가능한 석유 공급원으로부터 공급된 PBAT보다는 재생 가능하게 공급된 PBAT를 사용하는 것이 유리하다. 다양한 경우, 이들 구성요소 중 하나 이상은 블렌드될 수 있다.
둘 이상의 열가소성 생중합체의 블렌드는 단일 중합체 또는 공중합체에서 찾을 수 없는 성질과 가격의 조합을 제공한다. 블렌드 생중합체를 함께 성공적으로 블렌딩하는 다수의 방식이 있다. 일반적인 방법은 이축 압출을 사용하여 둘 이상의 생중합체 수지를 함께 용융시킨 다음, 용융된 생중합체 수지 블렌드를 스트랜드로 압출하고, 이를 냉각시키고 펠릿화기에 공급하여 마스터배취라 불리는 펠릿화된 조각의 어레이를 제조하는 것이다. 생중합체 수지 블렌딩의 또 다른 방법은 상용화제를 사용하여 화학과 달리 생중합체 블렌드 중에서 함께 조합시키는 것이다. 일반적으로, 이는 상기 기재된 공정에서 상용화제 및 둘 이상의 생중합체를 함께 용융시키는데 이축 압출 등을 너무 사용한다.
따라서, 상기 언급된 블렌딩된 열가소성 생중합체 수지는 개시내용의 최적의 초미세 가요성 발포체 구조를 형성하는데 유리한 기술적 특성을 나타내는 것으로 본 명세서에서 결정되었다. 향상된 기술적 특성 중 일부는 다른 이익 중에서도 허용 가능한 에이징 성질, 우수한 신장, 및 탁월한 압축 변형을 포함한다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 바와 같은 생중합체 블렌드의 사용의 이점은 주어진 생중합체 블렌드의 형성 및 사용으로부터 야기되는 향상된 기술적 성능 특성이다. 구체적으로, 몇 가지만 예로 들자면, 개선된 신장, 인장 강도, 충격 강도, 및 용융 흐름과 같은 향상된 성질은 생중합체의 올바른 조합, 및/또는 생중합체-상용화제 블렌드가 실현되는 경우, 실현될 수 있다.
따라서, 이들 수지는 발포제를 제조하기 위하여 본 명세서에 개시된 방법 및 기계에 따라 사용될 수 있다. 따라서, 하나의 측면에서 본 개시내용은 발포 공정에 관한 것이다. 상기 기재된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 기계 및 공정은 이로써 액체 또는 고체 중에 기체의 포켓을 포획하는 발포 작업을 수행하도록 구성될 수 있고, 이러한 발포는 경량 중합체성 물질을 제조하는데 사용될 수 있다. 이는 이는 발포된 물질이 그 중에서도 연질 쿠션재, 편안함, 및 충격 보호와 같은 다수의 부가 가치를 부여하기 때문에 많은 유형의 제품에 유리한 해결책이다. 그러나, 다양한 경우, 상기 언급된 최적의 지방족 및 지방족-방향족 코-폴리에스터 생중합체 또는 생중합체 블렌드 단독은 가요성 발포체의 제조에 유용하고, 다양한 경우, 가요성 발포체의 제조에서 이들의 사용은 발포 공정에서 적합한 발포제의 포함에 의해 향상될 수 있다.
예를 들면, 오늘날 사용되는 널리 공지된 발포제는 아조다이카본아마이드(ADA)로 지칭되는 화학물질이다. 아조다이카본아마이드는 전형적으로 통상적인 사출 성형 발포체 공정에서 사용하기 위한 통상적인 열가소성 마스터배취 수지로 미리 함침된다. 특히, ADA와 같은 화학 발포제의 사전 함침은 전형적으로 발포 전에 바이오플라스틱 블렌드에 포함된다. 이의 이유는 화학 발포제, 예를 들면, ADA의 사전 함침은 통상적인 사출 성형 발포가 발포체 성형 다양성의 맞춤을 허용하지 않기 때문에 필요하다는 것이다. 즉, 화학 발포제, 예를 들면, ADA는 제조 시점 동안 발포 공정의 물리적 측면을 변형하거나 이에 영향을 줄 수 있는 이들의 능력이 한정된다.
반대로, 본 개시내용의 전문화된 발포 공정은 비활성 또는 불활성 기체, 예를 들면, 질소가 제공하는 물리적 발포로부터 혜택을 얻는다. 이러한 공정에서, 기체, 예를 들면, 질소 투입은 생중합체 용융물 내의 농도에서 조절될 수 있고, 이는 발포 결과물에 직접적인 영향을 미치고, 이는 수득된 발포체의 특정한 측면을 맞춤화하는 주요 이점으로 볼 수 있다. 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 것으로 공지된 몇몇 석유화학 유래 열가소성 수지, 예를 들면, PBAT 코-폴리에스터가 존재함에도 불구하고, 순 PBAT 코-폴리에스터의 라인과 같은 재생 가능하게 공급된 공급원료를 사용하는 것이 유리하다.
예를 들면, 발포제의 제조에서, 맞춤 제작된 마스터배취, 예를 들면, 주어진 제품 유형을 위하여 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 주어진 유형을 제조하도록 맞춰진 바이오플라스틱 블렌드를 먼저 제조하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 맞춤 제작된 마스터배취 화합물의 상이한 유형은 제품 응용의 상이한 유형을 위하여 제조될 수 있다. 이는 한 켤레의 신발에서 발포체의 특정한 유형을 위한 작업이, 예를 들면, 가구의 조각을 만드는데 사용되는, 특정한 유형의 발포체를 만드는데 필요한 것과 상이할 수 있다는 것을 나타냄으로써 설명될 수 있다. 추가로, 맞춤 제작된 마스터배취는 각각 주어진 제품 사용을 위하여 상이한 착색제를 함유할 수 있다. 여기서 다시, 상이한 제품 유형은 맞춤의 상이한 측면이 필요하고, 특유하게 분리된 마스터배취를 제조하는 능력은 이들 특정한 사용에 매우 유리하다.
불행하게도, ADA는 환경친화적이지 않고, 이는 인간 건강에 발암물질로 의심된다. 그 결과, 본 방법에서 이의 사용 및 이로서 제조된 제품은 이의 이점이 제한된다. 통상적인 석유화학 열가소성 마스터배취 수지는 생분해성이거나 산업적으로 퇴비화 가능하지 않고, 따라서, 이의 이점은 또한 제한된다. 마스터배취의 제조를 위한 ADA 및 통상적인 석유화학의 사용에서 이들 결점의 관점에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체를 생성하기 위한 마스터배취를 제조하는데 사용될 수 있는 생분해성, 산업적으로 퇴비화 가능한, 열가소성 생중합체 수지가 본 명세서에 제시된다.
다양한 경우, 상기 논의된 바와 같이, 예를 들면, 환경적으로 방출 중립적인 방식으로, 성형된 최종 제품의 제조에서 사용하기 위한 더 많은 최적의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 달성하기 위하여, 초임계 유체는 성형된 공정으로 시스템에 의해 주입될 수 있다. 구체적으로, 초임계 유체는 이의 임계 온도(Tc) 및 임계 압력(Pc)을 초과하는 상태인 성분(액체 또는 기체)이다. 이러한 임계점에서 기체 및 액체는 공존하고, 초임계 유체는, 예를 들면, 표준 조건하에 액체 또는 기체의 것들과 상이한 특유의 성질을 나타낸다. 불활성 초임계 유체, 예를 들면, 질소, CO2, He, Ne, Ar, Xe, 및 다른 이러한 불활성 기체를, 예를 들면, 초임계 유체 상태로 사용하는 것이 유리하고, 이는 발포 공정에서 발포제로서 본 명세서에 개시된 방법에 따라 사용될 수 있는 기체이다.
상기 언급된 초임계 유체는 사출 성형기 배럴 내에서 중합체 매트릭스를 가용화함으로써 작용한다. 전문화된 사출 성형 공정이 액체 바이오플라스틱 화합물을 제어된 압력 및 온도하에 사출 금형 캐비티에 주입함으로써, 기체는 중합체 용융물이 금형 캐비티의 최대 한도까지 완전히 팽창되도록 한다. 이러한 공정에서, 기체는 발포 공정 내에서 중합체 매트릭스의 셀 구조를 최대화하는데 유용하다. 전문화된 발포 공정의 이러한 최대화는 최종 발포된 부품 내의 원하지 않는 싱크 마트 또는 뒤틀림이 최소화되는 것을 보장한다. 이는 통상적인 발포제가 동일한 유형의 초임계 상태 또는 압력의 대상이 되고, 따라서 통상적으로 제조된 발포체가 최종 발포된 부품에서 일관성이 부족하고, 이들은 원하지 않는 싱크 마크 및 뒤틀림을 함유할 수 있다는 점에서 통상적인 화학 발포제로 제조된 가요성 발포체와 매우 상이하다.
더 특히, 다양한 경우, 불활성 기체, 예를 들면, 질소 또는 이산화탄소는 초임계 유체 상태로 제제화될 수 있고, 이는 그 다음, 예를 들면, 신규한 사출 성형기 및 본 명세서에 논의된 공정에서 물리적 발포제로서 사용될 수 있다. 이러한 경우, 개시된 변형된 물리적 발포 공정은 적합한 열가소성 생중합체 또는 블렌딩된 생중합체 마스터배취와 협력하여 사용될 수 있고, 생중합체 또는 생중합체 블렌드 및 발포제는 가장 최적의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하기 위하여 조화롭게 작동한다.
본 개시내용의 적합한 생중합체, 바이오플라스틱, 및 바이오플라스틱-블렌드는 재생 가능한 자원, 예를 들면, 동물 사료 및 인간 식품과 경쟁하지 않는 것 및 재생 가능한 자원의 폐기물 스트림으로부터 유래한 것들로부터 유래될 수 있다. 생중합체 또는 생중합체 블렌드의 제조에서 사용될 수 있는 적합한 생중합체의 비제한적인 예는 폴리락트산(PLA), 폴리(L-락트산)(PLLA), 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리하이드록시 알카노에이트(PHA), 폴리부틸렌 석시네이트(PBS), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리부틸렌 석시네이트 아디페이트(PBSA), 폴리부틸렌 아디페이트(PBA) 및 열가소성 전분(TPS)으로 이루어진다. 본 개시내용의 적합한 생중합체 블렌드는 상기 열거된 생중합체 및 바이오플라스틱 유형의 임의의 조합뿐만 아니라 바이오매스 함유 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT)로 이루어진 임의의 혼성 생중합체 블렌드이다. 이의 비제한적인 예는 리그닌 함유 PBAT 블렌드일 것이고, 여기서 리그닌은 목재 폐기물로부터 공급되고, PBAT는 재생 가능한 자원으로부터 공급된다.
따라서, 다양한 실시형태에서, 본 명세서에 개시된 사출 성형 장치 및 이의 사용 방법은 균질한 셀 핵형성을 갖는 발포체를 제조하는데 유용하다. 논의된 바와 같이, 본 명세서에 개시된 장치 및 이의 사용 방법은 이로써 발포체 핵이 무작위로 자발적으로 생성되고, 따라서 불순물이 최소한이거나 없는 단일상 용액 시스템에서 비가역적으로 성장하는 발포체를 제조하기 위하여 균질한 셀 핵형성을 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 하기 본 명세서에 기재된 바와 같이, 하나의 측면에서 가요성 및/또는 경질 발포체의 제조 방법이 제공된다. 방법은 개방 셀 또는 폐쇄 셀 발포체를 유도하기 위하여 실시될 수 있고, 예를 들면, 여기서 발포체는 고유한 퇴비화 가능한, 항균성 및/또는 내염성 성질을 갖는다.
특정한 경우, 방법은 하나 또는 수지들, 예를 들면, 공중합체 담체 수지, 및 다양한 발포 성분을 블렌딩하는 것을 포함하는 마스터배취를 형성하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 후속적인 단계에서, 방법은 항균성, 항박테리아성, 및/또는 항바이러스성 신발 구성요소, 가구 구성요소, 요가 매트, 의류, 운동용품 구성요소, 의료 장치, 및/또는 내염성 제조 물품, 및 다른 적합한 용도의 제조에서 사용될 수 있도록 항균성 화합물의 첨가를 포함할 수 있다. 특히, 본 명세서에 개시된 방법에 따라, 제조된 제품은 응용의 방대한 집합체에서 사용될 수 있고, 일반적으로 이의 제조 방법은 3개의 구별되는 단계로 나뉠 수 있다. 먼저, 벌크 중합체 제품이 만들어진다. 그 다음, 중합체는 다양한 가공 단계에 노출된다. 마지막으로, 중합체는 이의 최종 제품, 예를 들면, 의류, 항균 카페트, 가구, 자동차 구성요소, 요가 매트, 밑창, 중창, 안창 등을 포함하는 신발 구성요소로 변형된다.
특히, 이러한 단일상 용액은 셀이 성장하고 기체의 확산에 의해 기포로 팽창되는 핵형성 부위를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 기계 및 공정은 작은 기포가 발포체 매트릭스 내에 균일하게 분산되는 방식으로 균질한 셀 핵형성의 생성을 야기하는 발포 공정을 개시하는데 특히 유용하다. 구체적으로, 통상적인 발포와 달리, 본 개시내용의 가요성 발포체에 의해 형성된 초임계 유체는 작은 기포 크기에 직접적으로 기여할 수 있는 크게 개선된 기계적 성질로부터 혜택을 얻는다. 더 구체적으로, 본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 약 100 미크론 이상 내지 약 1 미크론 이하, 예를 들면, 약 50 미크론 내지 약 10 미크론 이하, 예를 들면, 약 30 미크론을 포함하여 약 20 내지 약 40 미크론인 기포 직경을 생성하도록 구성되고, 이들은 열역학적 불안정성의 사용에 의해, 모두 발포체의 생성에서 통상적인 화학 발포제의 사용 없이, 제조된다.
예를 들면, 특정한 실시형태에서, 시스템은 생중합체 또는 생중합체 블렌드 및 초임계 유체(SCF)의 단일상 용액이 주입 게이트를 통해 사출 성형기의 금형 캐비티로 통과할 때 발생할 수 있는 균질한 셀 핵형성을 갖는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체를 제조하기 위하여 본 명세서에 개시된 본 발명의 신규한 사출 성형기를 사용하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 하기 본 명세서에서 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명의 사출 성형기는 용융된 물질을, 예를 들면, 마감된 부품 또는 구성요소 부품을 제조하기 위하여 금형 전구체를 금형에 주입함으로써, 용융된 물질을 제조하도록 구성된다. 사출 성형기는 물질 호퍼, 주입 램 또는 스크루형 플런저, 및 가열 유닛을 포함할 수 있다. 이러한 사출 성형기는 톤수의 관점에서 평가되고, 이는 기계가 가할 수 있는 클램핑 힘의 양을 표현한다.
따라서, 공정은 과립형 바이오플라스틱 화합물이 호퍼로부터 가열된 배럴로 가해진 램에 의해 공급되는 것으로 시작할 수 있다. 과립이 전문화된 왕복 스크루형 플런저에 의해 정방향으로 천천히 이동함에 따라, 초임계 유체는 스크루 내로 공급되는 사출 성형 장치에 직접적으로 연결될 수 있는 분리된 초임계 계량 보조 기기를 거쳐 주입기를 통해 도입된다. 그 결과, 초임계 유체는 스크루 회전 동안 생중합체 용융물 내에서 포화되고, 이는 단일상 용액을 생성한다.
그 다음, 용융된 혼합물을 고 배압으로 가열된 챔버로 가하고, 여기서 이는 컴퓨터 인터페이스에 의해 제어되는 온도에서 용융된다. 플런저가 나아감에 따라, 용융된 바이오플라스틱 화합물은 금형에 기댄 노즐을 통해 가해지고, 이는 게이트를 통해 금형 캐비티로 진입하는 것을 허용한다. 따라서, 본 발명의 발포 공정은 중합체성 물질이 발포제의 존재하에 열 및 압력이 중합체성 물질에 적용되는 기계적 또는 물리적 공정의 대상이 되도록 구성될 수 있다. 통상적인 폐쇄 셀 EVA 발포의 경우와 마찬가지로, 발포제는 화학 기원일 수 있거나, 이는 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 경우와 마찬가지로 불활성 기원일 수 있다. 따라서, 상기의 관점에서, 용액이 금형에 진입함에 따라, 압력은 떨어지고, 이는 SCF가 셀 핵을 생성하는 용액의 밖으로 나오도록 유발한다.
특히, 초임계 유체는 스크루 회전 동안 생중합체 용융물 내에서 포화되고, 이는 특정한 온도 및 압력하에 단일상 용액을 생성한다. 용융된 혼합물은 고 배압으로 가열된 금형 챔버에 가해지고, 단일상 용액의 압력은 초미세 공정 압력으로부터 대기 압력으로 떨어지고, 따라서 신속한 압력 언로딩이 발생한다. 핵형성 현상은 혼합물의 기체 분리로 인하여 발생한다. 이 시점에서, 핵은 안정한 기포로 성장한다. 기포 크기는 포화, 초미세 공정 압력, 및 혼합 온도에 의해 결정되고, 이들은 모두 본 발명의 시스템 및 방법에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 수백만개의 핵이 생성되고, 핵은 안정하고, 기포 성장이 시작된다.
기포 형태학은 SCF 농도뿐만 아니라 사출 성형 공정 파라미터에 의해 결정된다. 따라서, 이들 파라미터는 유용하고/하거나 결정된 기포 형태학을 제조하기 위하여 시스템에 의해 제어되도록 선택될 수 있다. 부품의 성형이 끝남에 따라, 금형은 냉각되고, 용융 온도는 감소하고, 이는 용융물이 냉동되거나 고체화되도록 만든다. 다시, 이들 파라미터는, 예를 들면, 제조되는 최종 제품에 따라, 시스템에 의해 치밀하게 제어될 수 있다. 구체적으로, 이 시점에서 기포는 기포는 성장을 중단하고 수득된 부품의 형상은 고정된다. 그 다음, 셀은 물질이 금형을 충전할 때까지 성장하고, SCF의 팽창 능력은 팽창된다.
따라서, 이러한 공정에서, 용융된 생중합체 및 SCF 블렌드는 가열된 금형 캐비티로 제어 가능하게 발사되고, 갑작스러운 압력 강하를 겪는다. 수백만개의 작은 기포가 핵 성장에서 제조되고, 이들 기포는 용융된 혼합물을 금형 캐비티의 최대 한도로 팽창하도록 물리적으로 강제한다. 용융된 혼합물이 최대 물리적 잠재성까지 팽창됨에 따라, 물질은 금형 내에서 신속하게 냉각되고, 기포는 형성을 중단하며, 용융된 혼합물은 팽창을 중단하고, 최종 고체화된 부품이 형성된다. 이들 모두는 사출 성형 시스템 내의 약 몇 초 동안 발생한다.
나타낸 바와 같이, 이러한 제조 공정은 계량, 전달, 혼합, 온도, 압력, 주입, 속도 등을 미세하게 제어하도록 변형된 상기 사출 성형기에서 수행된다. 예를 들면, 보조 계량 유닛은 정확한 SCF 기체 투입을 중합체 용융물로 전달하기 위하여 계량을 제어하는데 사용될 수 있다. 구체적으로, 적합한 기체 투입 보조 기기는 불활성 기체를 초임계 유체 상태로 전환시키고, 예를 들면, 컴퓨터 제어 메커니즘을 거쳐, 사출 성형기로의 SCF 전달의 투입을 계량하도록 구성될 수 있다.
예를 들면, 오퍼레이터 또는 적합하게 구성된 미세제어기는 기체 투입 보조 기기를 예정된 SCF 기체 투입 양으로 프로그래밍할 수 있다. 본질적으로, 기체 투입 보조 기기는 사출 성형기에 전기적으로 및/또는 물리적으로 커플링될 수 있는 SCF 전달 시스템이다. 특히, 본 개시내용에서 사용하기 위한 적합한 SCF 기체 투입 보조 기기는 산업 등급 질소 또는 다른 불활성 기체를 초임계 유체로 전환시키도록 설계된 기체 투입 시스템의 라인을 제조하도록 구성될 수 있다. 기체 투입 장치는 275 bar 이하 및 심지어 이를 초과하는 압력에서 SCF를 사출 성형기에 정밀하게 투입하고 주입하도록 구성될 수 있다.
기체 투입 장치를 작동시키기 위하여, 오퍼레이터는 관련 컴퓨터 장치, 예를 들면, 데스크탑 또는 랩탑 컴퓨터 장치를 이용할 수 있고, 이는 시스템 장치 및 각각의 제어 파라미터, 예를 들면, 투입 장치를 제어하기 위하여 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 생성하도록 구성된다. 예를 들면, 오퍼레이터는 선택된 파라미터, 예를 들면, 원하는 SCF 기체 투입 샷 파라미터를 GUI에 입력할 수 있다. 그 다음, 시스템의 처리 요소는 모든 보조적인 파라미터를 실시간으로 계산하고, 사출 성형기로의 SCF 전달을 최적화한다. 그 결과, 시스템의 제어 유닛은 기체 투입 시스템 및 사출 성형기가, 예를 들면, 컴퓨터 제어의 네트워크를 통해, 함께 공생하여 작동하는 것을 보장한다. 따라서, 이러한 기체 투입 시스템은 초임계 불활성 기체가 통상적인 가요성 발포체에서 사용되는 화학적 반응성 발포제를 치환하여 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하기 위한 물리적 발포제로서 수월하게 사용될 수 있기 때문에 본 개시내용의 차별적 속성이다. 생중합체로의 SCF의 혼합의 이러한 제어는 단일상 용액을 생성하는데 유용하다.
추가로, 본 개시내용의 사출 성형 공정 동안, SCF는 중합체 용융물에 주입된다. 중합체-SCF 혼합된 용액의 단일상은 사출 성형기 스크루 및 배럴 내의 명확한 온도 및 압력하에 수득된다. 온도 및 압력은 다양하게 제어 가능할 수 있고, 제조된 가요성 발포체의 유형 및 최종 제품이 사용될 응용의 유형과 직접적으로 관련이 있다. 이러한 단계에서, SCF의 농도는 포화, 초미세 공정 압력, 및 혼합 온도에 의해 결정된다. 예는 발포된 가구, 자동차, 운동, 및/또는 신발 부품, 구체적으로 신발 중창을 만드는데 사용하기 위한 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하기 위하여 제공될 수 있다. 이러한 비제한적인 예에서 사용하기 위한 적합한 생중합체 블렌드의 비제한적인 예는 생중합체 화합물로 형성된 신속하게 재생 가능한 PBAT 바이오-폴리에스터이다.
따라서, 과립화된 생중합체 화합물은 먼저 사출 성형기에 호퍼를 통해 공급된다. 그 다음, 생중합체는 특정한 SCF 기체 투입이 도입될 때 사출 성형기 스크루 및 배럴을 통해 천천히 이동하고, 이제 용융된 생중합체 화합물에 균질하게 혼합되고, 완전하게 이를 포화시킨다. 용융된 생중합체 화합물 및 SCF는 이제 단일상 용액이다. 개시 SCF 기체 농도의 비제한적인 예는 176℃ 내지 250℃의 용융 온도 범위, 더 바람직하게는 180℃의 범위에서 Co = 0.25%일 수 있다.
추가로, 다양한 실시형태에서, 금형 내의 온도는, 예를 들면, 동적 금형 온도 제어(DMTC) 프로토콜에서, 압력에 따라 미세하게 제어될 수 있다. 예를 들면, DMTC 공정은 팽창된 생중합체 용융물 내의 일정한 셀 구조를 보장하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, DMTC는 주입 충전 단계 동안 금형 온도 및/또는 압력의 신속한 변화 및 제어를 포함하도록 구성될 수 있다. 이는 압력이 있든 없든 온 및 냉 열 사이클링 둘 다의 관점에서 이에 따라 금형 온도 및/또는 압력을 동적으로 제어한다.
예를 들면, 시스템의 제어 모듈은 주입 충전 단계 동안 금형 온도를 제어하도록 구성될 수 있고, 예를 들면, 이런 경우, 동적 금형 온도 제어가 사용될 수 있다. 더 특히, 통상적으로 공지된 사출 성형 공정과 비교하여, 본 명세서에서 사용되는 동적 금형 온도 제어의 중요한 특성은 금형 온도 그 자체가 동적으로 제어될 수 있다는 것이다. 단일상 용액의 용융물 주입 전에, 금형은 먼저 미리 정해진 상한으로 가열될 수 있다. 용융물 충전 단계 동안, 금형 캐비티 표면의 온도는 용융물이 너무 이르게 고체화되는 것을 방지하기 위하여 상한보다 더 높게 유지될 수 있다. 용융물 충전 공정이 끝나는 경우, 금형은 하한(방출 온도)로 빠르게 냉각된 다음, 성형된 발포체 부품은 금형 캐비티로부터 방출된다.
본 명세서에서 구현되는 바와 같은 동적 금형 온도 제어(DMTC)는 신속한 전기 막대 가열 및 신속한 수냉각을 기반으로 한 제어 방법에 의존한다. 구체적으로, 본 개시내용에 의해 사용되는 DMTC는 5개의 주요 구성요소로 이루어진다: 공기 압축기, 밸브 교환 장치, 컴퓨터 제어된 금형 온도 제어 유닛, 전기 가열된 금형, 및 냉각탑. 냉각탑은 금형을 냉각시킬 충분한 물을 공급하기 위하여 사용될 수 있다. 공기 압축기는 공압 밸브의 구동 기체로서 압축된 공기를 제조하고 냉각 후 잔여 냉각수가 금형으로의 진입하는 것을 배제하기 위하여 사용된다. 밸브 교환 장치는 온 및 냉 열 사이클링과 같이 파이프라인으로부터 금형까지 상이한 매질을 수송하기 위하여 밸브를 전환하는데 사용된다.
따라서, 다양한 경우, 본 명세서에 기계 및 방법은 반응하는 물질의 통과를 위하여 파이프 및 다른 도관을 포함할 수 있고, 이러한 도관은 이들이 도관 및 파이프로 및/또는 이를 통해 펌핑됨에 따라 반응물을 가열 및/또는 냉각시키기 위하여 하나 이상의 열 교환 유닛과 연관된다. 이러한 경우, 교환기는 온도를 반응성 수준으로 조절하기 위하여 제어될 수 있다. 파이프의 한쪽 말단에 분사 헤드가 포함될 수 있고, 이는 하나 이상의 밸브와 연관된다. 추가로, 분사 헤드는 처리 라인까지 연결될 수 있다. 전기적으로 가열된 금형이 발포된 부품의 최종 형상을 성형하기 위하여 사용된다. 금형 온도 제어의 기능은 금형의 가열 및 냉각을 제어하는 것이고, 이는 모두 컴퓨터 제어에 의해 사출 성형기에 의해 조정된다.
마찬가지로, 나타낸 바와 같이, 압력은 또한, 예를 들면, 기체 역압(GCP) 프로토콜을 통해 미세하게 제어될 수 있다. 예를 들면, GCP 프로토콜은 최종 제품의 최적의 발포체 구조를 더 잘 보장하고, 수득된 가요성 발포체 상의 스킨이 거의 없거나 없게 하는 방식으로 수행하기 위하여 제조 공정에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 이러한 GCP 공정을 사용하여 가압된 금형 캐비티는 SCF가 주입될 수 있고, 이는 단독으로 또는 함께 용융물 내의 기체의 팽창에 대응하는 기능을 할 수 있다. 특히, 역압이 배출됨에 따라, 통상적으로 표면을 돌파할 기포는 내부에 포획되고, 매끄러운 스킨을 생성한다.
이러한 기체 역압 공정은 발포된 부품이 형성됨에 따라 발포 물질의 표면을 통한 접촉 및 파괴로부터 기포를 방지한다. 이는 용융된 단일상 용액 주입 샷 및 홀드 시간과 동시에 또는 비슷하게 GCP 시스템에 의해 금형 캐비티에 적용된 대응 압력에 의해 달성된다. 불활성 기포는 엄청난 힘의 대상이 되고, 따라서 용융된 단일상 용액은 형성되는 동안 발포된 구조의 외부에 포획된 기포를 방출할 기회를 갖지 않는다. 결과는 부품의 외부에 형성된 미용적으로 매끄러운 스킨을 갖는 성형된 발포체 부품이다.
따라서, 본 명세서에서 실시되는 바와 같이, 시스템의 제어기는 발포체 사출 성형의 용융물 주입 단계에서 상이한 기체 압력을 적용함으로써 발포 공정의 제어를 개선시키도록 구성된 기체-역압(GCP) 과정을 실시할 수 있다. 예를 들면, 시스템의 다양한 구성요소를 제어함으로써, 제어 시스템은, 예를 들면, 적절한 샷 크기, 샷 홀드 시간, 용융 온도, 및 금형 온도와 협력하여, 다양한 스크루 함유 SCF 단일상 용액 압력 및 GCP 압력을 적용하도록 구성될 수 있다.
이러한 방식으로, 전체 시스템이 생성되고, 이로써 고품질이고 상업적으로 허용 가능한 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 부품이 제조될 수 있다. 구체적으로, GCP 압력에 대한 미묘한 변화는 발포체의 표면 품질에 영향을 미친다. 예를 들면, GCP의 사용 없이, 금형 캐비티 내에 위치한 중합체 용융물에서 형성된 기포는 방출될 수 있고, 수득된 발포된 부품의 미용적 외양은 허용 가능하지 않을 수 있다. 추가로, GCP의 사용 없이 스킨 두께는 이것이 금형으로 팽창됨에 따라 용융된 단일상 용액의 신속한 냉각에 대응하는 역압이 존재하지 않기 때문에 바람직하지 않게 두꺼울 수 있다. 특히, 단일상 용액은 주입 샷 동안 강철 금형 경계를 칠 수 있고, 대부분의 상업적 응용에 있어서 허용되지 않는 바람직하지 않은 두꺼운 스킨을 갖게 즉시 고체화될 수 있다. 요약하면, 공정 파라미터는 최종 부품 품질에 입증할 수 있는 영향을 준다. 따라서, 이들 방식에서, 이러한 GCP 공정은, 예를 들면, 표면 품질, 발포체 구조, 스킨 두께 등 중 하나 이상을 통해, 발포를 제어하는 방식으로 실시될 수 있다.
따라서, 다양한 실시형태에서, 시스템은 단일상 용액을 형성하기 위한 방식으로 SCF를 제조하도록 구성될 수 있다. 특히, 다양한 실시형태에서, 단일상 용액이 생성되고, 여기서 SCF는 용융된 생중합체 중에 완전히 용해되고 균일하게 분산될 수 있고, 이는 세심하게 제어된 공정 조건하에 주입 배럴 내부에서 일어난다. 예를 들면, 논의된 바와 같이 단일상 용액의 형성은 본 개시내용의 일정하게 대량 생산 가능한 성형된 발포체 부품을 제조하는데 중요하다.
그 결과, 사출 성형 시스템 공정은 매우 일관된 방식으로 제어 가능하고 반복 가능하도록 구성되어야 한다. 이를 달성하기 위하여, 제1 방어선은 생중합체 화합물 및 SCF가 단일상 용액으로 균질하게 혼합되는 것을 보장하는 것이고, 예를 들면, 단일상 용액이 사출 성형기 배럴 내의 생중합체 용융물 내에 완전히 포화되고 분산된다. 단일상 용액이 달성되면, 시스템은 시간 최적화되고 대량 생산 가능한 방식으로 무한하게 재생 가능한 성형된 발포체 부품을 맞춤화하기 위하여 원하는 샷 중량, 샷 홀드 시간, 및 GCP 기체 투입을 확실하게 입력할 수 있다.
그렇게 하여, SCF는 고정된 양의 시간 동안 생중합체로 계량된 정확하게 질량 흐름이어야 한다. 예를 들면, 시스템 제어 모듈은 투입 기간 동안 온도, 압력 및 전단의 올바른 조건이 배럴 내에 확립되도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 배압, 스크루 속도 및 배럴 온도는 시스템의 하나 이상의 제어 요소에 의해 미세하게 제어될 수 있다. 추가로, SCF 전달 시스템은 최적의 단일상 용액을 생성하는 공정 조건을 확립하기 위하여 조절될 수 있다.
예를 들면, 상기 논의된 바와 같이, 제어 모듈은 시스템의 하나 이상의 관, 예를 들면, 튜브를 통해 이동하는 유체의 질량 유속을 측정하도록 구성된 시스템 연관된 질량 흐름 계량 장치에 소통 가능하게 커플링될 수 있다. 질량 유속은 단위 시간당 고정된 지점을 지나가는 유체의 질량이다. 본 개시내용과 관련하여, 질량 흐름 계량의 원칙은 발포체 성형 공정에서 일관된 반복 가능성을 보장하기 위해서 실시된다. 구체적으로, 상기 기재된 바와 같이, 특정하게 설계된 주입기는 시스템의 프로세서의 컴퓨터 제어된 프로그램에 의해 제어될 수 있는 사출 성형 배럴에 커플링된다. 그 결과, 시스템은 생중합체 용융물로의 특정한 SCF 기체 투입 전달을 실시하도록 구성될 수 있고, 컴퓨터 제어된 프로그램은 예를 들면, 하나 이상의 시스템 센서으로부터의 피드백을 통해, 질량 유속으로부터 실시간 데이터의 수집을 기반으로 전달을 최적화할 수 있다. 질량 흐름 계량의 이러한 사용은 본 발명의 단일상 용액을 위한 가장 최적의 공정 제어를 보장한다.
따라서, 투입 기간 동안, 시스템 전체에서, 예를 들면, 배럴 내의 온도는 배럴 내에서 100℃ 내지 600℃, 예를 들면, 200℃ 내지 500℃, 예를 들면, 300℃ 내지 400℃, 더 특히, 360℃ 내지 380℃를 포함하여 320℃ 내지 380℃ 범위가 되도록 제어될 수 있다. 마찬가지로, SCF 전달 압력은 1,000 내지 8,000 PSI, 예를 들면, 1,500 내지 6,000 PSI, 예를 들면, 2,000 내지 5,500 PSI, 특히, 3,000 내지 4,000 PSI, 더 특히 2,600 내지 2,800 PSI 범위가 되도록 미세하게 제어될 수 있다.
이러한 방식에서, 제어 모듈은 온도 및 압력이 생중합체 용융물 및 수득된 발포 매트릭스 내에서 최적의 핵 및 수득된 기포를 생성하도록 협력하여 작용하도록 구성될 수 있다. 추가로, 전단과 관련하여, 전단은 용융된 생중합체의 층이 서로에 관하여 흐를 때 배럴 내에서 확립된다. 따라서, 주입 동안, 용융된 생중합체 화합물은, 예를 들면, 분수와 같은 금형으로 진입하기 전에, 배럴 노즐의 용융물 전달 채널을 통해 흐를 수 있다.
전단은 회전 스크루과 고정 배럴 사이에서 생중합체의 연신이고, 이는 물질 내에 열이 발달하는 것을 유발한다. 따라서, 전단은 사출 성형 공정에서 제어되어야 한다. 그 결과, 시스템의 하나 이상의 제어 유닛은 주어진 사출 성형기 크기, 및 주어진 사출 성형기 스크루 및 배럴 크기를 갖는 주어진 생중합체 화합물을 제조하기 위한 올바른 조건을 달성하기 위하여, 예를 들면, 주입 속도, 충전 시간, 및 그 안의 공차를 제어하도록 구성될 수 있다.
배압이 또한 제어될 수 있다. 예를 들면, 배압은 생중합체가 금형 내에 주입되었을 때 이에 의해 가해지는 사출 성형기에서의 압력이다. 구체적으로, 배압은 이것이 금형으로의 다음 생중합체 샷을 로딩하기 위하여 회수함으로써 주입 스크루에 적용된 저항성이다. 상기 나타낸 바와 같이, 시스템의 다양한 파라미터는 배압을 제어하고/하거나 조절하도록 구성될 수 있다.
추가로, 시스템의 제어기는 스크루 속도를 제어하고 조절하도록 구성될 수 있다. 스크루 속도는 컴퓨터 제어에 의해 제어될 수 있다. 나타낸 바와 같이, 사출 성형 작업의 초기 단계 동안, 스크루는 SCF 기체와 협력하여 배럴 내에서 회전하여 용융되는 생중합체 화합물 혼합물을 균질화시킨다. 본 개시내용의 스크루 속도의 비제한적인 예는 1 또는 5 또는 10 내지 75 또는 100 또는 200 rpm, 예를 들면, 20, 25, 또는 30 내지 40, 50 또는 60 rpm일 수 있다.
시스템은 그 안의 온도를 제어하기 위하여, 배럴과 연관될 수 있는 가열 및/또는 냉각 제어 유닛을 포함할 수 있다. 따라서, 제어 모듈은 배럴 온도를 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서 배럴 온도는 발포 공정의 필요에 따라 그 안의 온도를 더 뜨겁게 또는 더 차갑게 만들기 위하여 제어될 수 있다.
따라서, 상기 관점에서, SCF 전달 시스템은 SCF 전달 압력과 전형적으로 그램으로 측정되는 SCF 투입량의 조합을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함할 수 있다. SCF 압력 및 용량은 단일상 용액에 영향을 미치기 위한 방식으로 제어될 수 있다. 즉, SCF 용량이 작을수록, 생중합체 용융물 내에서 필요한 SCF 포화는 작아지는 반면, SCF 용량이 클수록, 용융물 내에서 필요한 SCF 포화가 많아진다. 마찬가지로, SCF 전달 압력이 낮을수록, 포화의 흡수는 낮아지고, 따라서 용융된 생중합체 용융물 내의 기포를 형성하기 위하여 성장할 수 있는 핵의 성장은 낮아진다. 그리고 SCF 전달 압력이 클수록, 포화의 흡수는 커지고, 따라서, 용융된 용융물 내의 기포를 형성하기 위하여 성장할 수 있는 핵의 성장은 커진다.
포화와 관련하여, 시스템 및 장치는 초임계 유체가 형성되고, 예를 들면, 스크루 회전 동안, 생중합체 용융물 내에서 포화되도록 하는 온도 및 압력하에 용융물 챔버로 기체를 전달하도록 구성된다. 그 결과, 단일상 용액은 제어된 온도 및 압력하에 생성된다. 구체적으로, 중합체-SCF 혼합된 용액의 단일상은 사출 성형기 스크루 및 배럴 내의 명확한 온도 및 압력하에 본 명세서에서 수득될 수 있다. 더 구체적으로, 시스템 제어기는 제조되는 가요성 발포체의 유형 및 최종 제품이 제조되는 유형에 따라 좌우되는 방식으로 온도 및 압력을 다양하게 제어할 수 있다.
이러한 단계에서, SCF의 농도는, 예를 들면, 피드백 루프에 의해, 결정되고 제어될 수 있고, 이로써, 예를 들면, 센서를 통해, 포화의 양이 결정되고, 이는 포화 공정 진행을 평가한 다음, 포화 수준에 대하여 결정된 설정값의 달성을 기반으로 초미세 공정 압력 및 혼합 온도를 조절한다. 이러한 경우, 초임계 유체(SCF)는 스크루 회전 동안 생중합체 용융물 내에서 제어 가능하게 포화되고, 이는 명확한 온도 및 압력하에 단일상 용액을 생성한다. SCF는 두 부분의 용융된 생중합체 화합물 혼합물의 한 부분이고, 이는 본 발명의 사출 성형에서 명확한 압력 및 온도의 존재하에 물리적 발포제로서 사용된다.
따라서, 상기 관점에서, 하나의 측면에서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체의 제조를 위한 기계 및 이의 사용 방법이 본 명세서에 제공된다. 특히, 하나의 경우, 발포체는, 예를 들면, 초미세 사출 성형(뮤셀(MuCell)) 공정, 예를 들면, 뮤셀 제조를 통해, 발포된 제품의 제조에서 제조되고/되거나 사용된다. 뮤셀 제조는 상기 기재된 바와 같이 초임계 유체를 사용하고, 이는 극심한 압력의 대상이 되고, 예를 들면, 하기 기재된 제조 공구의 스크루 배럴 내에서 중합체 용융물 중에 용해되고, 이는 액체 상태로 가열된 용융된 생중합체 용융물의 생성의 목적을 위하여 SCF 투입을 최적화하도록 구성된다.
따라서, 사출 성형기의 핵심에는 사출 성형기 배럴 및 그 안에 함유된 스크루가 있고, 둘 다 일반적으로 공구강으로 만들어진다. 배럴은 계량되고 동적으로 온도 제어된 금형 구성요소로 압축되거나 "발사"되기 전에 본 발명의 단일상 용액을 위한 주요 전달 입구이다. 그 결과, 생중합체 용융물은 사출 성형기 호퍼를 통해 배럴로 전달된다. 그리고 시스템 제어기는 사출 성형기 작동의 제1 단계 중 하나로서 주어진 양의 과립형 바이오플라스틱 펠릿을 호퍼에 공급한다.
구체적으로, 주입 동안, SCF는 기화하고 기포, 예를 들면, 마감된 성형된 부품의 형태의 발포체가 된다. 기포는 미크론 크기에 도달하기 때문에, 공정은 초미세 발포를 제조한다. 본 명세서에 기재된 공정은 하기 중 하나 이상을 증명하는 수득된 제품을 야기하기 때문에 통상적인 주입 기술에 비해 유리하다: 적은 싱크 마크와 함께, 적은 수축, 경량 제품, 저비용 전구체에 의해 생성될 수 있음. 더 구체적으로, 적은 수축과 관련하여, 수축은 부피 수축이 열 수축으로 인한 것을 이해함으로써 제어될 수 있고, 이는 모든 중합체에 영향을 미치고, 따라서, 수축은 시스템 센서를 통해 수축 진행을 추적하고, 수축 과정을 조절하기 위하여 배럴 조건을 미세하게 제어함으로써 피할 수 있다.
본질적으로, 수축은 물질이 액체에서 고체로 변화함에 따라 이의 부피가 변화하는 정도를 설명한다. 통상적인 사출 성형에서, 금형은 압력에 의해 제어된 온도가 아니고, 따라서 통상적인 방법에 의해 사용된 용융된 중합체는 사출 금형의 차가운 공구강과 접촉시 수축하고, 이는 수축을 유발한다. 본 발명의 기계 및 시스템에서, 수축은 제어될 수 있고, 전형적으로 용융된 생중합체가 이른 냉각 없이 금형 내부의 최대 표면적을 충전하는 것을 보장하는 온도 제어된 가압된 금형뿐만 아니라 이와 관련하여 추가로 보조하는 가압된 금형 캐비티 그 자체의 적용된 균일한 응력으로 인하여 중요하지 않다.
일반적으로 경량 제품의 제조에 관하여, 더 많은 중합체가 팽창될수록 중량 감소는 커진다. 그러나, 본 발명의 시스템은 경량 발포체의 최적 품질이 달성되도록 적절한 압력, 온도, 및 시간의 적용을 통해 조건을 조절함으로써 단일상 용액을 최적화하도록 구성될 수 있다. 이는, 예를 들면, 경량 발포체가 필요한 제품 응용에 있어서, 예를 들면, 쿠션재, 신발 발포체, 및 운동 장비를 제조하는데 사용되는 발포체에 이롭다. 마찬가지로, 통상적인 가요성 발포체 제조에서 싱크 마크를 제어하는 것과 관련하여, 싱크 마크 및 공극은 부품이 냉각될 때 충분한 보충 없이 두꺼운 부분에서 물질의 국소화된 수축에 의해 유발된다.
특히, 싱크 마크는 전형적으로 레그 또는 리브에 반대편 및/또는 부근에 있는 표면에서 일어난다. 이는 불균형한 열 제거 및/또는 유사한 요인으로 인하여 발생한다. 발포된 부품의 외부 상의 물질이 냉각되고 고체화된 후, 코어 물질은 냉각되기 시작한다. 이의 수축은 주요 벽의 표면을 내부로 밀어넣어 싱크 마크를 유발한다. 스킨이 충분히 단단해지면, 스킨의 변형은 코어의 공극의 형성에 의해 대체될 수 있다.
통상적인 가요성 발포체 성형과 직면한 싱크 마크 및 공극 문제와 달리 기계 구성 및 본 발명의 시스템 파라미터는 이들 문제와의 만남을 최소화하는 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하기 위하여 제어 가능하다. 특히, 본 발명의 공정에서, SCF 기체는 발포 공정에서 중합체 매트릭스의 셀 구조를 조절하는, 예를 들면, 최대화하는 방식으로 제어된다. 전문화된 발포 공정의 이러한 최대화는 최종 발포된 부품 내의 원하지 않는 싱크 마크 또는 공극이 없는 것을 더 잘 보장한다.
추가로, 나타낸 바와 같이, 본 발명의 시스템의 유용한 이점은 저비용 물질을 이용하고, 제조된 최종 제품이 적은 뒤틀림을 갖는다는 것이다. 특히, 상기 논의된 많은 이유로, 본 개시내용은 SCF 기체가 발포 공정에서 중합체 매트릭스의 셀 구조를 최대화하는 원인이 되는 공정으로부터 이득을 얻는다. 전문화된 발포 공정의 이러한 최대화는 최종 발포된 부품 내에 최소 뒤틀림이 있도록 보장한다.
본 발명의 시스템의 또 다른 이점은 이것이 공차를 제어하도록 구성될 수 있다는 것이다. 예를 들면, 시스템은 엄격한 공차 가요성 발포된 사출 성형을 수행하도록 구성될 수 있다. 특히, 본 명세서에 제시된 바와 같은 엄격한 공차 가요성 발포된 사출 성형은 함께 매끄럽게 작업하고 제품의 전체적으로 낮아진 고장률에 기여하는 부품을 제조하기 위하여 사용될 수 있다.
제품이 신뢰할 수 있게 의도한 대로 작용하기 위하여, 이의 부품 모두는 함께 매끄럽게 맞아야 한다. 따라서, 본 장치 및 이들의 구성요소 부품은 공차를 엄격하게 제어하도록 설계되었다. 전형적으로, 이들 부품은 가장 우수한 공차 가능성으로 제조된다. 허용 가능한 공차의 상이한 범위가 있고, 예를 들면, 매우 엄격한 공차는 +/- 0.001"이다. 때때로 인치의 몇 천분의 일은 맞는 부품과 그렇지 않은 부품 사이의 차이를 의미할 수 있다.
그 결과, 설계 단계에서 초기에 엄격한 공차를 확인하는 것이 유용하다. 이는 설계 기사가 발포된 부품 기하학, 전체 발포된 부품 크기, 및 발포된 부품 벽 두께에 대한 요건을 고려해야 하기 때문이고, 이들은 모두 공자 제어에 영향을 미치고, 이들 모두는 세심하게 관리되지 않는 경우, 싱크 마크, 뒤틀림, 및 불일치하는 부품 공차를 악화시킬 수 있다. SCF 기체가 발포 공정에서 중합체 매트릭스의 셀 구조를 최대화하는 원인이기 때문에, 본 발명의 시스템 및 장치는 여전히 가장 우수한 설계 실시를 사용하면서 이들 설계 문제의 대부분을 극복한다. 마찬가지로, 시스템은 금형 내에서 더 빠르게 냉각되도록 구성될 수 있다.
상기의 결과로서, 싱크 마크, 뒤틀림, 및 공차의 불일치는 크게 감소한다. 이는 대부분 발포된 매트릭스 내에서 균일한 크기이고 고르게 분포하는 미세한 셀로 인한 것이다. 따라서, 이들 이득을 달성하기 위하여, 초미세 발포 공정은 미세하게 제어되어야 한다. 예를 들면, 나타낸 바와 같이, 발포가 전방의 용융물을 따라 발생하는 경우, 전진은 성형된 표면 위에 줄무늬 및 플로 마크(flow mark)를 도입할 수 있고, 이에 따라 결함을 유발한다.
상기에 추가로, 이들 결함은 공동 주입 및 금형내 장식 기술 중 하나 이상을 이용함으로써 본 명세서에서 추가로 최소화될 수 있다. 그러나, 많은 경우, 이는 엄청난 비용이 들 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 시스템은 본 개시내용의 부가 가치가 허용되고 적절할 수 있는 경우, 고급 제품 기회를 선택함으로써 이러한 엄청난 비용의 경우를 극복한다.
일부 경우, 이는 용융 점도 및 다른 물리적 성질에 변화를 유발할 수 있기 때문에, SCF 발포에 대한 단점이 있을 수 있다는 것이 많은 경우에 주의된다. 특히, SCF를 중합체 용융물에 균일하게 확산시키는 경우, 단일상 용액은 자유 부피를 증가시킴으로써 중합체의 점도를 감소시켜 가역적 가소제로서 작용한다. 이러한 효과는 또한 중합체의 유리 전이 온도뿐만 아니라 이의 인장 강도를 감소시킨다. 이는 불균일한 기포 크기를 야기할 수 있다.
불균일한 기포 크기는 부품 전체에서 비일관적인 기술적 성능 특성을 갖는 성형된 발포체의 제조뿐만 아니라 잠재적으로 바람직하지 않은 미용적 관상 문제도 야기한다. 이들은 대량 제조 동안 부품 간 동일한 기술적 성능 특성을 갖는 일관되게 재생 가능한 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하려는 시도에서 둘 다 문제가 된다. 본 발명의 시스템은 이들 어려움을 극복하도록 구성된다.
따라서, 상기 논의된 바와 같이, 이들 단점을 극복하고, 초미세 발포 공정을 더 미세하게 제어하기 위하여, 상기 논의된 기체 역압(GCP)이 사용된다. 상기 논의된 바와 같이, 기체 역압은 발포된 부품이 형성됨에 따라 기포가 발포 물질의 표면과 접촉하고 이를 파괴하는 것으로부터 조절되도록 미세하게 제어된다. 이는 대응 압력이 GCP 시스템에 의해 금형 캐비티에 적용됨으로써 달성되고, 금형 내의 홀드 시간을 제어하면서, 용융된 단일상 용액을 주입하는 것과 동시에 또는 근처에 수행될 수 있다. 금형 온도 및 압력은 또한 이들 목적을 위하여 미세하게 제어될 수 있다.
주입되면, 불활성 기포는 엄청난 힘의 대상이 되고, 따라서 용융된 단일상 용액은 형성되면서 발포된 구조의 외부에 포획된 기포를 방출할 기회를 갖지 못한다. 마찬가지로, 단일상 용액에 가해지는 엄청난 힘은 금형 내부의 발포 구조 내에 수백만개의 작은 기포를 더 잘 분배하는 것을 도울 뿐만 아니라 기포 크기의 일관성을 보조한다. 결과는 부품 외부에 형성된 미용적으로 매끄러운 스킨을 갖는 성형된 발포체 부품, 및 대량 생산 동안 부품 간 반복 가능한 기술적 성능 특성에 대한 일치하는 기포 크기이다.
예를 들면, 시스템은, 예를 들면, 용융물 주입 단계에서 상이한 기체 압력 및/또는 온도를 적용함으로써, 발포 공정을 제어하는 GCP의 도입을 허용하도록 구성될 수 있다. 그 결과, GCP는 사출 성형기 내에 있는 금형 캐비티 내에서 발포 공정에 도입된다. 먼저, 불활성 기체는 기체 제어 밸브를 통해 금형 캐비티로 기체 압축기 및 기체 펌프에 의해 펌핑된다. 기체 압력 센서는 실시간 데이터를 기체 제어값으로부터 다시 컴퓨터 제어기로 공급한다.
시스템은 컴퓨터 시스템에서 투입 파라미터 및 홀드 시간을 설정함으로써 금형 캐비티로의 GCP 투입을 개시한다. 그 다음, 컴퓨터 시스템은 금형 캐비티로의 불활성 GCP 샷의 적절한 투입을 개시한다. GCP의 사용 없이, 생중합체 용융물은 금형 캐비티에 진입하고 즉시 발포를 시작하여, 표면을 돌파하고 발포체 외부에 바람직하지 않은 소용돌이 마크를 생성하는 비균일 기포를 생성하고, 이는 문제가 된다.
마찬가지로, 주입 속도는 또한 미세하게 제어될 수 있고, 예를 들면, 여기서 주입 속도는 스크루 압력(P스크루)과 기체 압력(P기체) 사이의 차이에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, P스크루가 P기체보다 약간 높고, 두 파라미터가 충분히 높은 경우, SCF 용해된 용융물은 발포 없이 금형 캐비티로 흐른다. P스크루를 P기체보다 높게 설정하고 P기체를 임계 압력보다 낮게 설정하는 것은 부분적인 발포를 야기한다. 마지막으로, P스크루, P기체, 및 동적 금형 온도와 조합된 압력 차이의 적절한 선택은 기포의 더 정밀한 제어를 가능하게 한다. 따라서, 줄무늬를 유발하는 이들 파라미터 흐름의 초미세 조정은 이를 완전히 제거하지는 않지만 최소화시킬 수 있다.
구체적으로, 이들 파라미터는 유체 거동을 고려하여 부분적으로 결정될 수 있다. 예를 들면, 하나의 실시형태, 유동학(흐름)은 상이한 금형 온도(185, 195 및 205C), 주입 속도(5, 10 및 15 ㎜/초 스크루 속도), 및 GCP(50, 100, 200 및 300 bar)하에 N2의 0.4 중량% SCF가 용해된 중합체 용융물의 거동에 의해 생성되었다. 이러한 경우, 측정된 전단율은 3000 내지 11000s-1 범위이고, GCP가 300 bar일 때 유리 전이 온도, Tg는 96에서 50C로 감소하였다. 마찬가지로, 이 경우, 통상적인 사출 성형과 비교하여, GCP가 50에서 200 bar로 증가했을 때 용융물 점도는 약 30% 만큼 하락하였다.
구체적으로, GCP가 300 bar인 경우, 단일상 주입 용융물의 점도는 임의의 발포 없이, 주입 조건에 따라, 50% 만큼 감소할 수 있다. 이는 압력 요건 및 온도 요건을 낮추고, 이에 따라 제조 비용, 구체적으로 에너지 비용을 낮추고, 또한 제조 동안 발포된 부품 사이클 시간을 감소시키기 때문에 유용하다. 그 결과, 낮은 압력 및 온도 요건, 및 적은 사이클 시간 때문에 절감되는 큰 에너지에 대한 모든 이들 시스템 파라미터는, 예를 들면, 올바른 생중합체 화합물을 선택하고 물질 기계적 성질에 맞는 공정 온도, 압력, 및 홀드 시간을 맞춤으로써, 더 빠르고 더 적은 돈으로 제조된 더 많은 부품으로 전환된다.
추가로, 나타낸 바와 같이, 본 발명의 기계 및 시스템의 중요한 특징은 이들이 더 균일하게 하기 위하여 기포 크기를 제어하도록 구성될 수 있다는 것이다. 상기 논의된 바와 같이, 이는 온도, 압력, SCF 투입 제어, GCP, DMTC, 및 상기 논의된 다른 파라미터를 제어함으로써 부분적으로 유효할 수 있다는 것이다. 이들 속성 모두는 최적의, 가장 균일한 기포 크기 및 발포된 매트릭스 내의 이들의 최적의 균질한 분산을 보장하기 위하여 협력하여 작용한다. 추가로, 표면 품질은 용융물 전방에 따른 이동을 제어함으로써 개선될 수 있다.
이의 이름이 나타내듯이, 용융물 전방은 용융된 단일상 용액이 성형 캐비티에 진입하는 지점이다. 용융물 전방 속도는 용융물 전방 전진 속도이다. 복합한 캐비티 기하학을 가진 임의의 금형에 있어서, 캐비티의 부분은 다른 영역보다 더 빠르게 충전될 수 있다. 용융물 전방 속도를 제어함으로써, 예를 들면, 다른 파라미터 제어 중에서도 온도, 압력, 및 SCF 투입 제어를 제어함으로써, 더 균일한 금형 캐비티 충전 속도가 달성될 수 있고, 이는 수득된 발포체 부품의 표면 품질이 미용적으로 허용 가능할 수 있다는 것을 보장한다.
따라서, 단일상 용액이 생성되면, 상기 기재된 바와 같은 변형된 사출 성형기는 주입 시작할 때까지 용액을 가압된 상태로 유지한다. 예를 들면, 기계는 상기 나타낸 바와 같이, 셧오프 노즐과 스크루 위치 제어의 조합된 협력을 통해 이를 달성하도록 구성될 수 있다. 특히, 셧오프 노즐은 가소화 배럴(왕복 스크루가 있는)과 금형 사이의 연결을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 셧오프 노즐은 자기 제어되거나 외부 제어될 수 있고, 이들은 용융된 샷 사이의 용융물의 흘러내림을 피하고, 따라서 감압 및 금형으로의 이른 발포를 방지하는데 사용될 수 있다.
그 결과, 셧오프 노즐은 감압 및 금형으로의 이른 발포를 방지한다. 예를 들면, 셧오프 노즐 없이, 단일상 용액은 금형 캐비티 내의 충분한 압력을 갖지 못할 것이고, 원하는 성형된 발포체 부품이 제조되지 않을 것이다. 마찬가지로, 능동 또는 수동 스크루 위치 제어는 스크루의 후진 이동을 통해 감압을 방지하기 위하여 사용될 수 있다.
특히, 시스템은 능동 스크루 위치 제어를 실시하도록 구성될 수 있고, 예를 들면, 여기서 스크루의 위치는 계속 모니터링되고, 스크루 뒤에 적용된 압력은 결정된 위치 설정값 또는 스크루 뒤에 유지되는 일정한 압력을 유지하도록 조절된다. 예를 들면, 수동 위치 제어에서, 배압을 조절하는데 사용되는 오일은 스크루 회수의 종료시 이의 탱크로부터 배수로부터 방지된다. 이러한 잔여 오일은 단일상 용액의 압력으로 인하여 스크루가 뒤로 이동하는 것을 방지한다.
추가로, 상기 나타낸 바와 같이, 적절한 금형 설계는 단일상 용액을 유지하는 것을 돕는다. 구체적으로, 이러한 경우, 금형은 핫 러너 시스템을 포함하고, 예를 들면, 금형 개방시, 노즐로부터 물질이 흘러내리는 것을 방지하도록 하나 이상의 밸브 게이트가 포함될 수 있고 제어될 수 있다. 더 특히, 핫 러너 시스템은 본 명세서에서 사출 성형 장치에서 사용될 수 있고, 용융된 플라스틱을 기계의 노즐로부터 금형 공구 캐비티로 이송하기 위하여 더 효과적으로 사용될 수 있도록 물리적으로 가열되는 부품의 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들면, "콜드" 또는 "핫 러너"가 사용될 수 있고, 예를 들면, 여기서 콜드 러너는 노즐을 이탈한 후 용융된 플라스틱을 금형 캐비티로 직접적으로 사용하는 가열되지 않은 물리적 채널이고, 핫 러너는 가열되고 차가운 러너가 아니다.
마찬가지로, 다양한 경우, 장치는 정상 작동 동안 스프루 부싱과의 접촉을 끊도록 구성된 노즐 브레이크를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 적층 또는 탠덤 금형에서 유용하고, 이는 스프루 부싱 상에서 셧오프를 사용한다. 특히, 스프루 부싱은 기계 노즐을 수용하고 이에 따라 용융된 생중합체 화합물이 금형으로 진입하는 것을 허용하도록 구성될 수 있다. 기계 노즐이 스프루 부싱과 접촉하지 않도록 분리되어야 하는 경우, 용융된 생중합체 화합물은 스프루 부싱으로부터 반대 방향으로 흘러내릴 수 있고, 금형의 감압이 발생할 수 있다. 임의의 용융된 흘러내리는 폐기물은 제조 비용을 증가시킬 수 있고, 용융물의 다음 샷에 부정적인 영향을 미치며, 금형의 적절한 폐쇄를 막아 잠재적으로 더 많은 문제를 만들 수 있다.
이를 극복하기 위하여, 셧오프가 있는 스프루 부싱의 선택이 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 핫 러너로부터의 압력은 스프루 부싱을 통해 완화될 것이다. 특히, 스프루 부싱이 셧오프가 필요한 경우, 셧오프는 상기 언급된 다른 이득 이외에 건축된 금형내 압력이 탈출하는 것을 방지한다. 금형의 임의의 감압은 잠재적으로 용융된 부품의 발포를 방지할 것이고, 그 결과, 원하는 성형된 부품이 형성되지 않을 것이다.
상기 나타낸 바와 같이, 다양한 발포제가 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 발포체의 사출 성형에 이용될 수 있다. 특정한 경우, 이들 발포제는 불활성 및/또는 비활성 기체, 예를 들면, 불활성 질소 기체 또는 이산화탄소 또는 초임계 유체(SCF) 상태로 전환될 수 있는 다른 기체를 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 장치, 시스템, 및 이의 사용 방법에 따라, SCF는 기계로, 예를 들면, 용융물 배럴로, 예를 들면, 발포제를 배럴 내에 용융된 생중합체 용융물에 공급하기 위하여사출 성형기 배럴에 커플링되고, 예를 들면, 고정될 수 있는 특정하게 설계된 컴퓨터-제어된 주입기를 통해, 도입되고, 예를 들면, 주입될 수 있다. 사출 성형기 제어기는 특정한 SCF 기체 투입량을, 질소든 이산화탄소 등이든, 생중합체 용융물로 전달하도록 프로그래밍될 수 있고, 이의 전달은 시스템 제어기에 의해 최적화될 수 있다.
그 결과, 각각의 상기 언급된 SCF 발포제는 제조되는 최종 부품의 기술적 요건에 따라 이의 위치를 갖는다. 특히, 나타낸 바와 같이, 유용한 SCF는 이의 초임계 상태가 동일한 압력에서 질소보다 밀도가 높지만 훨씬 더 높은 열용량을 갖는 이산화탄소이다. 실험은 초임계 상태의 이산화탄소가 특정한 쿠션재 응용에서 유용할 수 있는 밀도가 높은 발포체를 생성한다는 것을 보여주었다. 대조적으로, 초임계 질소는 더 작은 셀을 가진 낮은 밀도의 발포된 부품을 제조하는데 사용될 수 있고, 이는 본 개시내용의 신발 및 운동용품에 유용하다.
따라서, 운동용품, 예를 들면, 신발의 제조에 유용한 발포제는 SCF 이산화탄소보다 개선된 중량 감소 및 훨씬 낮은 중량 퍼센트에서 미세한 셀 구조를 제공하기 때문에 SCF 질소 기체이지만, 가구 및 자동차 사용에 있어서, 유용한 발포제는 더 큰 크기 및/또는 중량일지라도 더 큰 셀 구조를 생성하는 이산화탄소이다. 구체적으로, 다양한 경우, 발포된 부품의 개선된 중량 감소는 가장 적은 양의 중량을 필요로 하는 제품 응용에 유용한 특성이다. 비제한적인 예로서, 이는 매우 경량이고 반복된 남용을 견디는 능력을 증명하는 가요성 발포체를 함유하는 운동화에 있어서 지속적인 요구가 있다.
상기 언급된 예에서 초미세 셀 구조와 함께 향상된 중량 감소를 제공함으로써, 사출 성형된 가요성 발포체 부품은 허용되는 경량 신발을 만드는 방식으로 러너의 효율을 증가시키는 이의 능력에 의존할 것이다. 게다가, 상기 언급된 발포체의 초미세 셀 구조는 가속화된 운동에서 지속적으로 압력을 적용하는 러너로부터 상승된 반복된 충격력 및 신발의 발포된 부품 상의 충격을 취급할 수 있는 구성요소 부품을 갖는 매우 내구성 있는 운동화를 보장할 것이다.
사실, SCF 질소 수준은 전형적으로 비슷한 부품을 달성하는데 필요한 SCF 이산화탄소 수준보다 적어도 75% 낮을 것이다. 그렇게 하여, SCF 이산화탄소와 비교하여 크게 감소한 SCF 질소 수준 요건은 신발 구성요소를 만드는데 사용되는 바와 같은 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 대량 생산시 최적의 물질 절감 및 시간 절감을 보장한다. 그러나, SCF 이산화탄소는 다양한 특정한 상황에서, 예를 들면, 점도 감소가 주요 처리 목표인 경우, 및/또는 응용이 SCF 질소의 더 공격적인 발포 작용을 견딜 수 없는 경우, 유용한 발포제이다.
특정한 경우, SCF 이산화탄소는 특히 반가요성 발포체에서 적합한 발포제이다. 가요성 및 반가요성 발포체 둘 다는 이들이 둘 다 일반적으로 실온인 이들의 제공 온도보다 낮은 유리 전이(Tg)를 갖는 중합체로부터 유래되기 때문에 가요성 발포체의 동일한 범주에 포함될 수 있다. 물리적 발포제에 의한 물리적 발포 공정 동안, 유리 전이의 저하가 나타난다. 질소와 이산화탄소 발포제의 효과에서 이러한 차이는 생중합체 용융물에서 이들의 거동으로부터 기인한다.
예를 들면, 섭씨 31.1 및 72.2 bar에서 SCF 유체가 되는 이산화탄소는 섭씨 -147 및 34 bar에서 초임계 유체가 되는 질소보다 생중합체 중에서 4 내지 5배 더 잘 용해된다. 예를 들면, 미충전 생중합체 중의 포화점은 온도 및 압력 조건에 따라 질소의 약 1.5 내지 2 중량%이고, 이산화탄소의 포화 수준은 8 중량%에 가깝다. 이산화탄소는 또한 생중합체에서 더 큰 이동성을 나타내고, 이는 질소보다 기존의 기포로 추가로 이동하는 것을 허용한다. 셀 핵형성의 관점에서, 더 큰 용해도 및 이동성은 더 적은 셀이 핵형성될 것이고 핵형성된 것들이 더 커지는 경향이 있다는 것을 의미한다.
그러나, 용해도는 점도 감소가 목표인 경우 이점이 된다. 생중합체 중에 용해된 SCF는 가소제로서 작용하여, 생중합체의 점도를 감소시킨다. 점도 감소는 부분적으로 생중합체에 첨가된 SCF의 양의 함수이고 이산화탄소는 질소보다 높은 용해도 한계를 갖기 때문에, 이산화탄소에 의한 점도 감소 능력은 더 크다. 이산화탄소는 또한 부품을 제조하는데 필요한 질소의 양이 너무 낮아 부품을 일관되게 처리할 수 없을 때 유용하다.
이산화탄소가 훨씬 덜 공격적인 발포제이기 때문에, 이산화탄소의 낮은 수준을 작동시키는 게 쉬울 때가 있다. 예를 들면, 0.05% 미만에서 질소의 매우 낮은 수준과 비교하여 0.15 또는 0.2% 이산화탄소. 이전 예에서 나타낸 바와 같은 경우에는 주로 연질 물질 및 두꺼운 단면을 가진 부품에서 발생한다. 따라서, SCF 질소 또는 SCF 이산화탄소 또는 다른 SCF인 물리적 발포제는 최종 발포된 부품 및 이들을 함유할 것인 최종 제품에서 유용한 역할을 한다.
첫째, 혼화성 생중합체 또는 생중합체 화합물과 관련된 SCF 기체의 적절한 조합을 선택하는 것이 유용하다. 둘째, 최적의 투입 중량 및 압력을 거쳐 SCF 기체를 적절하게 이용하는 것은 단일상 용액 내에서 최대 포화를 보장하고, 발포 매트릭스 내에서 수백만개의 균일한 기포를 생성하기 위한 핵의 최적의 생성을 보장하는데 중요하다. 추가로, 최종 결과인 균질하게 형성된 사출 성형된 가요성 발포된 부품은 상기 설명된 바와 같이, 상업적으로 허용되는 성형된 발포된 부품을 달성하기 위하여 사출 성형기 온도, 압력, 및 홀드 시간과 공생하는 SCF 및 GCP 기체 투입 공정 작업의 모든 측면에 의존한다.
나타낸 바와 같이, 하나의 측면에서, 개방 셀이든 폐쇄 셀이든 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 제조 공정이 제공된다. 다양한 경우, 제조 공정은 하기 단계 중 하나 이상을 포함한다. 먼저, 열가소성 생중합체를 발포를 위해 마스터배취로 블렌딩할 수 있다. 비제한적인 예로서, 참조되는 마스터배취는, 예를 들면, 압출 배럴 내에서, 둘 이상의 생중합체, 충전제, 및/또는 첨가제가 단일 중합체 용융물로 균질하게 불렌딩될 수 있는 이축 압출기에 의해 제조될 수 있다. 그 다음, 용융된 생중합체 블렌드를 스트랜드 압출하고, 냉각시키고, 마스터배취로 지칭되는 과립으로 펠릿화한 다음, 이를 상기 기재된 바와 같이 처리할 수 있다. 적합한 생중합체, 바이오플라스틱, 충전제, 첨가제, 및 착색제의 임의의 조합은 마스터배취 제조로 도입될 수 있다. 따라서, 제조되면, 열가소성 생중합체 블렌드는 SCF, 예를 들면, 불활성 질소 또는 이산화탄소 기체와 함께 적합한 금형 형상으로 사출 성형될 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 사출 성형은 용융된 물질을 제품 금형에 주입함으로써 부품을 제조하는 제조 종공에서 사용될 수 있다. 본 개시내용에서, 적합한 생중합체 또는 생중합체 블렌딩된 화합물은, 예를 들면, 과립 형태로 선택된다. 상기 언급된 과립은 임의의 잠복 수분의 제거를 보장하기 위하여 보조 펠릿 건조기로 미리 건조시킬 수 있다. 그 다음, 미리 건조된 펠릿을 사출 성형기 호퍼로 도입할 수 있다. 그 다음, 오퍼레이터는 최적의 사출 성형기의 배럴 온도, 노즐 온도, 및 금형 온도를 선택하고, 이들 값을 컴퓨터 제어로 입력한다.
추가로, 최적의 SCF 기체 투입 퍼센트 및 압력뿐만 아니라 최적의 GCP 기체 투입 및 압력은 조정될 수 있고, 이들 값은 입력되거나 시스템 제어 유닛에 의해, 예를 들면, 동적으로 결정될 수 있다. 시스템이 적절하게 구성되면, 사출 성형기는 작동할 준비가 된 것이다. 과립은 컴퓨터 제어에 의해 특정된 양으로 사출 성형기의 스크루 및 배럴로 방출될 수 있고, 여기서 이들은 특정한 온도 또는 온도 세트에서 용융된다.
SCF 기체는 제어된 압력 및 용량 크기하에 컴퓨터 제어에 의해 주입된 SCF를 통해 사출 성형 기계 배럴로 도입된다. SCF는 이제 용융된 과립을 포화시키고, 단일상 용액이 생성된다. 그 다음, 적절한 배압 및 스크루 위치결정과 함께, 사출 성형기는 단일상 용액의 측정된 샷을 동적 온도 제어된 금형 캐비티로 보낸다. 핵 성장이 용융물 내에 경험되고, 수백만개의 초미세 기포가 생중합체 용융물 내에 형성된다. 실질적으로 동시에, GCP 시스템은 미리 계량된 용량의 역압 기체를 셀의 균일성을 최적화하고 최적의 미용적 외양을 위한 표면 질감을 컨디셔닝하는 컴퓨터 제어에 의해 금형으로 보낸다. 그 다음, 동적 온도 제어된 금형 온도를 수냉각으로 전환시키고, 기포의 형성 및 용융물의 팽창은 중단된다. 이 시점에서, 가요성 발포체 성형된 부품은 이제 형성되고, 금형으로부터 방출된다.
특히, 상기 나타낸 바와 같이, 시스템은 동적 금형 온도 제어를 실시하도록 구성될 수 있고, 이는 최적의 셀 구조를 제조하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 기재된 바와 같이, 동적 금형 온도 제어(DMTC)는 신속한 전기 막대 가열 및 신속한 수냉각을 실시한다. 더 특히, 본 명세서에서 사용된 DMTC 과정은 하기 5개의 주요 구성요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 공기 압축기, 밸브 교환 장치, 컴퓨터 제어된 금형 온도 제어 유닛, 전기 가열된 금형, 및 냉각탑. 냉각탑은 냉각 작업의 수행을 위하여 금형으로 수 냉각을 제공하도록 구성되고, 적합하게 구성된 공기 압축기는 임의의 잔여 냉각수가 냉각 후 금형으로 진입하는 것을 배제하기 위하여 공압 밸브를 통해 기체를 몰아내는 압축된 공기를 생성한다. 하나 이상의 밸브 교환 장치는 온 및 냉 열 사이클링과 같이 파이프라인으로부터 금형까지 상이한 매질을 수송하기 위하여 밸브를 전환하도록 구성되고 사용될 수 있다. 전기 제어된 발열체가 포함될 수 있고, 발포된 부품의 최종 형상을 성형하도록 구성될 수 있다. 급수탑 및 발열체는 함께 금형의 가열 및 냉각이 성형 공정에서 신속하게 가열되고/되거나 냉각될 수 있도록 금형 온도를 세심하게 제어하는 기능을 할 수 있다.
이 모든 것은 적합하게 구성된 컴퓨터 프로세서에 의해 사출 성형기와 조율된다. 예를 들면, 본 개시내용의 DMTC 시스템의 냉각수 온도 제어의 비제한적인 예는 15 내지 30℃일 수 있고, DMTC 시스템의 발열체 온도 범위의 추가의 비제한적인 예는 60℃ 내지 150℃ 범위일 수 있고, 90℃ 내지 130℃ 범위일 수 있고, 그 사이의 임의의 온도일 수 있다. 이러한 방식으로, 생중합체 용융물, 압력, 및 시간은 바람직한 가요성 발포체가 형성되도록 제어될 수 있다.
특히, 본 개시내용의 사출 성형 공정 동안, SCF는 중합체 용융물 내로 주입된다. 중합체-SCF 혼합된 용액의 단일상은 사출 성형기 스크루 및 배럴 내에서 명확한 온도 및 압력하에 수득된다. 온도 및 압력은 컴퓨터 제어에 의해 다양하게 제어 가능할 수 있고, 제조되는 가요성 발포체의 유형 및 최종 제품 응용의 유형에 직접적으로 관련된다. 다양한 스크루 함유된 SCF 단일상 용액 압력 및 GCP 압력을 적용함으로써, 적절한 샷 크기, 샷 홀드 시간, 용융물 온도, 및 금형 온도와 협력하여, 전체 시스템은 최소량의 외관 불량을 갖고 발포된 부품의 외부 상의 플라스틱 스킨이 거의 없거나 없는 최적의 발포체 구조를 보장하기 위하여, 예를 들면, 사출 성형 공정에서 기체 역압을 사용함으로써, 고품질의 상업적으로 이용 가능하고 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 부품이 제조될 수 있도록 생성된다.
나타낸 바와 같이, 본 명세서에 개시된 장치, 시스템, 및 이의 방법에 따라 제조된 제품의 유용한 이점은, 예를 들면, 가정식 또는 산업적 퇴비화 프로토콜에서 생분해성 및/또는 퇴비화 가능할 수 있다는 것이다. 특히, 산업적 퇴비화 계획에서 퇴비화되도록 구성되는 제조 물품은, 예를 들면, 마감된 물품에서 파괴되지 않거나 사용 중 떨어져 나오지 않는 방식으로 기능화됨으로써, 가요성 발포체가 수득된 제품의 사용 가능한 수명을, 지속할 것이다. 예를 들면, 본 개시내용의 가요성 발포체로 만들어진 가구, 신발 한 켤레, 또는 다른 운동 장비를 구입하는 사람은 제품의 사용 가능한 수명의 종료 전에 규칙적인 사용 동안 발포체 분해를 갖는 경우에만 해로울 것이다.
더 특히, 본 개시내용은 불활성 물리적 발포제 및 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 생중합체 또는 생중합체 화합물의 사용으로부터 이득을 얻는다. 이들 두 가지 측면은 합쳐져 전문화된 가요성 발포체 사출 성형 시스템에서 기능하는 단일상 용액을 형성한다. 결과는 많은 유형의 최종 제품에서 사용되는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체이고, 이의 비제한적인 예는 신발을 만드는데 사용되는 신발 발포체이다. 수득된 가요성 발포체는 가교결합되지 않고, 화학물질을 함유하지 않으며, 환경적으로 양성이다.
생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 수명의 종료시, 이는 폐기물 전환을 통해 적절한 산업적 퇴비화 시설로 돌려보내질 수 있고, 이에 따라 발포체는 분쇄되고, 사용 가능한 바이오매스로 산업적으로 퇴비화된다. 최종 결과는 소위 순환 경제의 측면을 고수하는 시스템을 제조한다. 본 개시내용의 가요성 발포체는 "흙에서 흙으로(dirt-to-dirt)" 시작하고 끝나고, 이는 천연 생물학적 공정이 최소량의 환경적 충격으로 인간 사용을 위한 물질 및 제품을 만들도록 개조되었다는 것을 의미한다. 이들 가요성 발포체는 이들의 사용 가능한 수명 동안 기술적 성능 특성 또는 이들의 환경적으로 의도된 설계를 타협하지 않는다.
상기 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 본 명세서의 장치, 시스템, 및 이의 사용 방법은 예를 들면, 신발, 좌석, 자동차, 보호 장비, 및/또는 운동 장비에서 사용하기 위한 구성요소를 위하여, 하나 이상의 성형된 최종 제품을 제조하기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 신발 구성에서 유용한 하나 이상의 구성요소, 예를 들면, 이의 밑창, 중창, 및/또는 안창이 본 명세서에서 제공되고, 예를 들면, 여기서 밑창은 신발의 바닥을 형성하고, 땅과 접촉하도록 구성되고, 중창은 중간 구조 및 쿠션재 요소를 형성하고, 안창은 신발 내에 삽입되어 신발에 쿠션재 및/또는 지지체를 제공하도록 구성된다.
특정한 실시형태에서, 신발 구성요소는 환경 친화적이고 생분해성이고 퇴비화 가능할 수 있는 본 명세서에서 제조된 발포체 물질을 포함할 수 있다. 다양한 경우, 각각의 개별적인 구성요소는 베이스층 및 쿠션재 층, 예를 들면, 쿠션재 층을 포함하는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 특정한 실시형태에서, 지지 부재, 예를 들면, 베이스층에 커플링된 지지 부재가 포함될 수 있고, 여기서 구성요소는 안창이고, 아치 접촉부 또는 뒤꿈치 접촉부 중 하나 이상이 포함될 수 있다.
특히, 다양한 실시형태에서, 발포된 물질이 제조될 수 있고, 예를 들면, 여기서 발포체 물질은 쿠션, 쿠션이 있는 가구, 신발 구성요소, 예를 들면, 이의 안창, 매트, 섬유, 직물 등의 제조에서 사용될 수 있다. 다른 유용한 제품은 코킹, 예를 들면, 실리콘 코킹, 실리콘 의료 장갑, 약물 전달 시스템용 실리콘 튜브, 실리콘 접착제, 실리콘 윤활제, 실리콘 페인트, 및 다른 적합한 실리콘 제품, 예를 들면, 콘돔을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 발포체 제품은 발포된 물질이 항균성, 항박테리아성, 항진균성, 항바이러스성, 및/또는 내염성 성질 중 하나 이상을 가질 수 있는 방식으로 제조될 수 있다.
더 특히, 하나의 측면에서, 본 개시내용은 일반적으로 가구, 예를 들면, 덮개가 씌워진 가구 및/또는 이의 쿠션, 예를 들면, 생분해성이고/이거나 퇴비화 가능한 발포체를 포함하거나 그렇지 않으면 이로 구성된 가구의 제조 공정에 관한 것일 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 발포체는 이렇게 제조된 발포체 삽입물을 포함하는 가구의 제조에서 사용하는데 유리하다. 제조되고 사용되는 수지 및 발포체는 쿠션재 물질, 예를 들면, 베개, 소파, 침대, 좌석 쿠션, 또는 다른 덮개가 씌워진 가구 등으로 사용되는데 유리하다는 것이 증명되었다.
예를 들면, 상기 본 명세서에 개시된 방법에 따라, 발포체의 소형 내지 대형 블록의 금형은 예를 들면, 가구 또는 자동차 보조 구성요소에서 사용하기 위한, 예를 들면, 발포체 삽입물을 형성하도록 제조될 수 있다. 그 다음, 블록 발포체는 제조되는 가구의 유형 및 형태를 기반으로 원하는 크기 및 형상의 더 작은 블록으로 절단될 수 있다. 구체적으로, 그 다음, 크기를 갖고 절단된 블록을 가구 또는 자동차 프레임 또는 다른 결합 물질 내에 적용하거나 그렇지 않으면 장착할 수 있고, 베개, 소파, 쿠션, 예를 들면, 소파 또는 자동차 쿠션 등이든 상관없이 이와 함께 덮어 최종 가구 제품을 제조할 수 있다. 추가로, 원하는 경우, 외부 케이싱 또는 결합 물질은 프레임 물질에, 예를 들면, 물품의 프레임에 스테이플링되고/되거나 택킹되거나 그렇지 않으면 고정됨으로써 부착되어 천 또는 다른 물질로 덮개가 씌워지고 덮일 수 있다.
따라서, 다양한 실시형태에서, 덮개가 씌워진 가구 제조시, 예를 들면, 소파 또는 자동차 시트, 프레임이 제조될 수 있다. 가구의 다양한 내부, 예를 들면, 구조적 구성요소는 프레임, 예를 들면, 스프링 등에 설치될 수 있고, 그 다음, 본 명세서에 개시된 방법에 따라 제조된 발포된 시트는, 예를 들면, 쿠션재 및/또는 절연을 위하여 스프링 내에, 그 위에, 그리고 그 주변에 위치할 수 있다. 물론, 면, 울, 펠트, 고무계 제품 등의 층과 같은 다른 물질이 포함될 수 있고, 그 다음, 프레임을 덮고 제품 제조를 마감하기 위하여 커버 물질이 추가될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 발포체는 본 명세서에 개시된 다른 물질과 함께 패딩 또는 충전재로서 기능할 수 있고, 이는 커버 물질이 프레임 위에서 연신됨에 따라 형상을 갖고 조절되고 커버 아래에 넣어질 수 있다. 추가로, 나타낸 바와 같이, 다양한 경우, 본 명세서에서 제조된 발포체 제품은 많은 이유로 당해 분야에 공지된 것들 및 이보다 유용하고, 전형적인 PU 및/또는 EVA 발포체가 어떠한 방식으로도 생분해성이 아니지만, 본 명세서에서 제조된 발포체의 구성요소는 생분해성이라는 사실은 중요하다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 개방 프레임 위에 가구를 건설하는 방법이 제공된다. 예를 들면, 하나의 경우, 방법은 하기 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
특히, 방법은 프레임을 제공하는 것을 포함할 수 있고, 프레임은 백, 복수의 측벽, 및 시트부를 규정하고, 예를 들면, 여기서 백 프레임부는 실질적으로 수직으로 확장되고, 시트부는 시트부가 수직부를 횡단하는 방식으로 서로에 대하여 실질적으로 수평으로 확장된다. 방법은 발포체의 평평한 시트를 백 및 시트 및/또는 측벽 부를 위한 패딩을 제공하는데 적절한 크기 및 형상으로 절단하고, 평평한 커버 물질을 백, 시트, 및/또는 측벽 부를 마감하는데 적절한 크기 및 형상으로 절단하고, 발포체 시트 및 커버 물질을 함께 떨어진 위치에 부착하고, 발포체를 압축하여 이의 외부 표면에 윤곽이 있는 미리 결정된 디자인을 형성하고, 발포체 시트 및 커버 물질이 부착 위치를 매개하는 상대적인 이동에 자유로운 실질적으로 평평한 하위 어셈블리를 형성하고, 하위 어셈블리를 형상을 만들고 프레임에 부착하는 단계를 더 포함한다. 발포체 쿠션 또는 쿠션이 들어간 물품을 위한 커버는 덮개가 씌워진 가구에서 일반적으로 사용되는 임의의 적합한 커버 물질 및 커버 장식용 베개 등, 예를 들면, 모직물, 나일론 직물, 또는 다른 다양한 합성 섬유로 직조된 직물뿐만 아니라 가죽과 같은 물질 등일 수 있다.
추가로, 또 다른 측면에서, 본 개시내용은 일반적으로 신발 구성요소, 예를 들면, 신발의 밑창, 중창, 및/또는 안창, 예를 들면, 발포체, 예를 들면, 퇴비화 가능한 발포체를 포함하거나 그렇지 않으면 이로 구성된 신발 구성요소의 제조 공정에 관한 것이다. 구체적으로, 특정한 실시형태에서, 밑창, 중창, 안창, 및/또는 다른 신발 삽입물의 제조 방법이 제공된다. 예를 들면, 본 발명의 신발 삽입물은 신발, 예를 들면, 운동화 또는 스니커화 내에 삽입되거나 그렇지 않으면 장착되도록 개조된 쿠션재 장치의 형태일 수 있고, 이는 뛰거나 걷는 동안 표면, 예를 들면, 땅을 차는 발의 충격을 감소시키고, 이에 따라 발에 대한 충격을 흡수하고/하거나 약화시키도록 구성될 수 있다.
특히, 중창 및 삽입물을 포함하는 신발 밑창 구성요소는 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 경우, 베이스층, 발포체층, 및/또는 직물층이 제공될 수 있다. 구체적으로, 상대적으로 탄력 있는 물질의 베이스층, 및/또는 발포체층, 예를 들면, 베이스층 위에 배치된 것, 및/또는 발포체층 위에 배치된 직물층이 포함될 수 있다. 따라서, 방법은 베이스층, 발포체층, 및 직물을 삼중적층 시트로 통합적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 경우, 지지층은 적어도 뒤꿈치 영역에 배치될 수 있고, 이러한 지지층은 경질 물질, 예를 들면, 적층보다 더 높은 밀도의 물질로 구성될 수 있다. 접착제, 글루, 또는 다른 접착 메커니즘이 지지층의 삼중적층을 부착하고 형성하기 위하여 제공되고 사용될 수 있다.
더 특히, 다른 경우, 신발 구성요소, 예를 들면, 삽입물의 제조 방법은 발포체층을 제공하고/하거나 직물층을 제공하는 단계; 발포체층을 가열하는 단계; 발포체 및 직물층을 결합하는 단계; 베이스층, 예를 들면, 발포체층의 밀도와 동일하거나 더 크거나 더 작은 밀도를 갖는 베이스층을 제공하는 단계; 및 이중 또는 삼중적층을 형성하기 위하여 베이스층을 발포체층과 커플링시키기 위하여 베이스층 및 발포체층 중 적어도 하나를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 미리 형성된 지지 부재, 예를 들면, 아치 지지체 및/또는 뒤꿈치 부재를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이러한 부재는 발포체층의 밀도와 실질적으로 동일하거나 더 작거나 더 큰 밀도를 가질 수 있다. 특정한 경우, 지지 부재는 발포체층의 것과 비교하여 더 큰 밀도, 및 따라서 더 큰 단단함을 수득하기 위하여 압축된 발포체 물질로 형성될 수 있다. 추가로, 열 및/또는 압력 반응성 접착제가 지지체 및/또는 뒤꿈치 부재와 적층 사이에 적용될 수 있다. 그 다음, 뒷 부분을 형성하는 미리 형성된 뒤꿈치 부재 및/또는 예를 들면, 이의 중간 및/또는 뒤꿈치 영역에서 마감된 신발 삽입물의 바닥 표면의 중간 부분을 형성하는 지지 부재, 및 이의 전방 영역에서 마감된 신발 삽입물의 바닥 표면을 형성하는 베이스층을 갖는 일체형 원피스 신발 삽입물을 형성하기 위하여, 지지 및/또는 뒤꿈치 부재에 삼중적층의 형성 및/또는 형상화를 유발하기 위하여 조성물에 성형 압력을 적용할 수 있다.
그러나, 지지 및/또는 뒤꿈치 부재는 포함될 필요가 없고, 일부 경우, 적층 구성요소 중 하나 이상을 제외되거나 다른 적층이 추가될 수 있다는 것을 주의한다. 특정한 실시형태에서, 발포체층은 베이스층보다 더 많은 가요성 및/또는 쿠션재, 예를 들면, 더 큰 도큐미터를 갖는 것일 수 있고, 이는 결국 지지 부재보다 더 많은 가요성 및/또는 쿠션재, 예를 들면, 더 큰 도큐미터를 갖는 것일 수 있다는 것을 추가로 주의한다. 따라서, 더 많은 가요성 발포체 및 베이스층은 상대적으로 탄력 있고 원하는 신발 크기 및 구성에 대한 형상에 순응할 수 있는 반면, 지지층(들)은 상대적으로 더 경질일 수 있다.
특히, 나타낸 바와 같이, 발포체층 및/또는 하나 이상의 지지층은 본 명세서에 개시된 생분해성 및/또는 환경 친화적 발포체 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 지지층은 더 밀도 있는 발포체로 만들어질 수 있고, 따라서 지지층을 더 경질로 만든다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 발포체층은 입방 피트당 약 2 또는 약 3 또는 약 5 내지 약 10 lbs 이상의 밀도, 예를 들면, 입방 피트당 약 4 내지 6 lbs 범위의 밀도를 가질 수 있다. 추가로, 발포체층은 1/8" + 또는 - 5%의 두께, 예를 들면, 약 3/32" 내지 5/32"의 두께 범위를 가질 수 있다.
마찬가지로, 베이스층은 또한 입방 피트당 약 2 또는 약 3 또는 약 5 내지 약 10 lbs의 밀도, 예를 들면, 입방 피트당 약 4 내지 6 lbs 범위의 밀도를 가질 수 있다. 베이스층의 두께는 약 5/16" + 또는 - 10%일 수 있다. 그러나, 다양한 경우, 베이스층의 두께는 약 1/4" 이하 내지 약 7/16" 범위의 두께일 수 있다. 지지층과 관련하여, 이는 주로 삽입물의 아치 및/또는 뒤꿈치 영역에서 형성될 수 있고, 이는 또한 본 명세서에 개시된 생분해성 및/또는 퇴비화 가능한 발포체로 만들어질 수 있다.
그러나, 지지층은 입방 피트당 최종 밀도가 약 22 내지 23 lbs가 되도록 압축됨으로써 만들어질 수 있다. 직물층은 임의의 적합한 물질, 예를 들면, 면, 폴리에스터, 또는 폴리프로필렌 니트로 구성될 수 있다. 다양한 경우, 물질 및 발포체층은 발포체층에 개방 화염을 사용하는 화염 적층 기술에 의해 함께 적층화될 수 있다. 개방 화염은 표면 상에 충분한 열을 생성하여 평평한 시트 발포체층의 용융을 유발한다. 용융되면, 직물층은 그 안에서 결합하고, 2개의 함께 샌드위치된 층은 냉간 롤러 사이에서 진행되고, 충분한 압력이 롤러 사이에 적용되어 2개의 층은 함께 결합한다.
공정에서 이 시점에서, 이들 층은 평평한 시트 형태를 유지한다. 그 다음, 이들 통합된 층들은, 또한 화염 적층화에 의해, 베이스층에 결합될 수 있다. 이전에 통합된 물질 및 발포체층은 지지층에 결합될 수 있고, 이들 다중적층된 층은 냉간 롤러 사이에서 진행될 수 있다. 공정의 이 단계에서, 이들 층은 여전히 평평한 시트 형태이다. 따라서, 그 다음, 이 시점에 적층된 층은 성형될 준비가 된 것이다. 이는 적층된 층을 약 250 F의 성형 온도에, 예를 들면, 약 1 내지 약 5분 또는 그 이상, 예를 들면, 약 225초의 기간 동안 가열함으로써 수행될 수 있다. 이는 이들이 금형으로 삽입되는 것을 허용할 정도로 충분히 이전에 적층된 층을 가열한다.
하기는 첨부된 도면을 참조하여 만든 본 개시내용의 다양한 실시의 설명이다. 따라서, 하나의 측면에서, 신발 구성요소가 제공된다. 특히, 도 1에 예시화된 바와 같이, 본 개시내용의 실시형태는 신발 구성요소, 즉, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 열가소성 생중합체 블렌드(102)로 만들어진 초미세 가요성 발포체 신발 중창(100)이다.
구체적으로, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 신발 중창은 생중합체 및 생중합체 블렌드 중 하나 이상, 예를 들면, 열가소성 생중합체를 포함하는 것으로부터 만들어진다. 특히, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체를 제조하는데 사용되는 열가소성 생중합체 또는 생중합체 블렌드는 임의의 수의 지방족 및 지방족-방향족 코-폴리에스터 등으로부터 임의로 생성될 수 있다.
생중합체 또는 생중합체 블렌드를 제조하는데 사용될 수 있는 적합한 생중합체의 비제한적인 예는 폴리락트산(PLA), 폴리(L-락트산)(PLLA), 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리하이드록시 알카노에이트(PHA), 폴리부틸렌 석시네이트(PBS), 폴리카프로락톤(PCL), 폴리부틸렌 석시네이트 아디페이트(PBSA), 폴리부틸렌 아디페이트(PBA), 및 열가소성 전분(TPS)으로 이루어진다. 추가로, 혼성 생중합체 블렌드는 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조에서 이용될 수 있다. 혼성 생중합체 블렌드의 비제한적인 예는 조류 함유 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT)로 이루어진다.
제공된 예에서, 혼성 생중합체의 조류 부분은 건조한 분말 형태의 조류의 임의의 적합한 종으로 이루어진다. 적합한 조류 종의 몇몇 비제한적인 예는 남조류, 녹조류, 홍조류, 갈조류, 및 규조류, 및 이의 조합을 포함한다. 상기 언급된 건조된 조류 분말은 조류 분말이 PBAT의 중합체 사슬로 변성되도록 PBAT 생중합체로 표준 장비에서 이축 압출될 수 있다. 이는 이에 따라 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조에서 사용하기 위한 혼성 생중합체를 형성한다.
제조된 발포체 제품은 하기 다수의 성분을 포함하거나 그렇지 않으면 혼입할 수 있다: 충전제 분말 및/또는 하나 이상의 첨가제. 특히, 응용에 따라, 첨가제가 또한 생중합체 제제화에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 올리고머성 폴리(아스파트산-코-락타이드)(PAL)는 생분해를 가속화하기 위하여 마스터배취로 임의로 배합될 수 있다. 추가로, 아라고나이트로부터의 침전 탄산칼슘, 전분 등과 같은 충전제는 마감된 가요성 발포체의 재생 가능한 생분해성 무결성을 유지하면서 부분 비용을 감소시키는데 이용될 수 있다.
추가로, 생중합체 제제화에서 사용하기 위한 다이올는 하기 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 핵형성제, 예를 들면, 마이크로 판상 탤크 또는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트가 포함될 수 있다. 이러한 핵형성제는 다른 유리하게 향상된 특징 중에서도 셀 병합을 방지하고, 벌크 밀도를 낮추고, 충돌 탄성을 개선시킴으로써 수득된 가요성 발포체의 주요 성질을 크게 개선시킬 수 있다. 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 도입에서 사용하기 위한 핵형성제의 몇몇 비제한적인 예는 Imerys Talc America Inc.(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의해 Mistrocell®로 시판되는 마이크로 판상 탤크 및 Calcean Minerals & Meterials LLC(미국 앨라배마주 개즈던 소재)에 의해 OceanCal®로 시판되는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트이다.
착색제, 염료, 및 안료가 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 다양한 착색제, 예를 들면, 염료, 안료, 또는 바이오-안료가 본 발명의 생중합체 제제화에서 임의로 사용될 수 있다. 몇몇 비제한적인 예는 생중합체 사용의 특정한 유형을 위해 맞춤 제작된 식물 기원의 천연 안료, 예를 들면, Treffert GmBH & Co. KG(독일 빙겐 암 라인 소재)에 의해 제공된 광범위한 것들 또는 Holland Colours Americas Inc.(미국 인디애나주 리치몬드 소재)에 의해 제공되는 것들이다.
일, 여가, 수상 용도 등의, 신발 중창(100)의 원하는 물리적 성질, 및 의도된 최종 용도에 따라 사용될 수 있는 다수의 구성 및 실시형태가 존재하고, 이는 이들 예로서 제한되지 않아야 한다.
시스템의 적합한 장치는 도 2에 예시화될 수 있고, 상기 본 명세서에 개시된 바와 같은 발포체 물질의 제조에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 사용 중, 생중합체 마스터배취(202)는 임의의 적합한 사출 성형기(206)의 호퍼(204)로 공급된다. 생중합체 마스터배취는 사출 성형기 스크루(208)를 통해 수송되면서 가열에 의해 액화된다. 질소 또는 CO2 기체(210)는 생중합체 용융물에 주입되고 혼합된다(212). 추가로, 생중합체-기체 혼합물은 압력하에 있고, 사출 성형 공구(214)에 주입된다. 생중합체-기체 주입과 협력하여, 기체 역압 시스템(216)은 기체 제어값(220)을 통해 계량된 질소 또는 CO2 기체(218)의 용량을 가압된 성형 공구에 보낸다.
그 후 곧, 동적 금형 온도 제어 시스템(DMTC)(222)은 성형 공구(214) 내부의 온도를 제어하고 조절한다. 그 다음, 성형 공구(214)는 충분히 냉각되고, 수득된 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포된 부품은 사출 성형기로부터 방출된다.
도 3은 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 제조 방법(300)을 예시화하는 흐름도를 제공한다. (302)에서 생중합체 혼합물이 선택되고, (304)에서 혼합물은 물질 호퍼를 통해 사출 성형기로 끌려온다. (306)에서, 생중합체 혼합물은 사출 성형기 스크루를 통해 수송되면서 액화되고 균질화된다. (308)에서, 질소 또는 CO2 기체는 생중합체 용융물에 주입된다. (310)에서, 생중합체-기체 혼합물은 압력하에 있고, 사출 성형 공구에 주입된다. (312)에서, 사출 성형 공구 온도는 최적의 셀 구조를 보장하기 위하여 동적으로 제어된다. (314)에서, 기체 역압의 최적의 용량이 최소 스킨 두께를 갖는 이상적인 발포체 구조를 보장하는데 충분한 시간 양 동안 사출 성형 공구에 적용된다. (316)에서, 사출 성형 공구는 충분히 냉각되고, 수득된 성형된 발포체 부품은 사출 성형기로부터 방출된다.
몇몇 구현예에서, 본 개시내용에 제한을 부여하지 않으면서, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체 제조 공정은 하기 기재된 단계를 포함한다. 공정 설정 과정은 단일상 용액을 수득하는 스크루 속도, 온도, 및 압력 조건하에 주입 배렬로의 제어된 SCF 투입을 확립하는 것을 중심으로 다룬다.
SCF 투입의 기본 조건이 만족되는 것을 보장하기 위하여, SCF 전달 압력을 조절하는 주로 7개의 설정값이 존재한다: 스크루 회전 동안 SCF가 투입되는 것에 대한 바이오플라스틱 압력의 설정. 이는 스크루 회수 동안 특정한 생중합체 배압 및 또한 스크루 공회전 동안 스크루 위치 제어 둘 다를 지칭한다. 비제한적인 예로서, 생중합체 전달에 대한 압력 설정값은 2,000 psi 내지 3,000 psi 범위, 더 바람직하게는 2,700 psi 내지 2,800 psi 범위일 수 있다. 이러한 설정값은 SCF 투입이 시작될 때 스크루 위치를 설정하고, 그 다음, 이는 SCF 주입기를 개방 또는 폐쇄 위치로 설정할 수 있다. 위치는 스크루 회수 동안 배럴에서 압력이 투입 시작 전에 안정해지도록 설정되어야 한다. 비제한적인 예로서, 개방 위치는 0.3 내지 0.4 인치의 범위일 수 있다.
샷 크기 및 SCF의 퍼센트는 또한 제어될 수 있다. 이는 각각의 사이클 동안 투입되는 SCF의 실제 질량을 제어한다. 비제한적인 예로서, 샷 크기는 100 그램 내지 300 그램, 더 바람직하게는 200 그램 범위일 수 있다. SCF 퍼센트의 비제한적인 예는 0.45% 내지 0.75% 범위, 더 바람직하게는 0.5%일 수 있다. 시스템은 또한 투입을 최적화하도록 구성될 수 있다. 이는 투입 시간을 최대화하고 유속(미리 계량된 압력과 전달 압력 사이의 압력차)을 최소화함으로써 달성된다. 투입 시간의 비제한적인 예는 1-2초, 더 바람직하게는 1.7초이다.
동적 금형 온도 제어(DMTC)가 또한 실시될 수 있다. 이는 온 및 냉 열 사이클링 둘 다의 관점에서 금형 온도를 동적으로 제어하기 위하여 주입 충전 단계 동안 금형 온도를 신속하게 변경하고 제어하는 것을 포함하는 공정이다. 용융물 주입 전에, 금형은 먼저 미리 정해진 상한으로 가열된다. 용융물 충전 단계 동안, 금형 캐비티 표면의 온도는 용융물이 이르게 고체화되는 것을 방지하기 위하여 상한보다 높게 유지된다.
용융물 충전 공정이 종료되었을 때, 금형은 부품이 금형 캐비티로부터 방출되는 온도인 방출 온도로 공지된 하한으로 빠르게 냉각된다. 본 개시내용의 최적의 금형 온도 범위의 비제한적인 예는 초당 1℃ 내지 초당 15℃, 더 바람직하게는 초당 11℃의 냉각 속도로 40℃ 내지 150℃이다. 본 발명의 금형 냉각 시간의 비제한적인 예는 80초 내지 100초이다.
마찬가지로, 기체 역압(GCP)이 또한 제어될 수 있다. 이는 용융물 내의 기체의 팽창에 대응하는 질소 기체가 주입되는 가압된 금형 캐비티를 포함하는 공정이다. 역압이 방출됨에 따라, 통상적으로 표면을 돌파하는 기포는 내부에 포획되어, 매끄러운 스킨을 생성한다. GCP는 표면 품질, 발포체 구조, 및 스킨 두께를 통해 발포를 제어한다. 본 발명의 기체 역압의 비제한적인 예는 1초 내지 25초, 더 바람직하게는 5초의 홀드 시간에서 0 bar/10 bar/30 bar/50 bar이다. 본 발명의 평균 초미세 셀 직경의 비제한적인 예는 1-마이크로미터 내지 100-마이크로미터, 더 바람직하게는 40-마이크로미터의 마이크로미터(pm)로 측정될 수 있다.
상기 관점에서, 몇몇 구현예에서, 적합한 열가소성 생중합체 블렌드가 제조된다. 열가소성 블렌드가 제조되면, 열가소성 생중합체 블렌드는 불활성 기체, 예를 들면, 질소 기체의 첨가와 함께 적합한 금형 형상으로 사출 성형될 수 있다. 추가로, 압력은 또한 미세하게 제어될 수 있다.
예를 들면, 사출 성형 공정에서 기체 역압의 이용이 실시될 수 있다. 이는 또한 최소량이 외관 불량을 갖고 발포된 부품의 외부에 플라스틱 스킨이 거의 없거나 없는 최적의 발포체 구조를 추가로 보장하는데 유용하고, 이는 금형 형상을 기반으로, 다수의 최종 용도를 가질 수 있는 발포된 제품을 제조하는데 중요하다. 성형 공정은 동적 금형 온도 제어의 구현예를 포함할 수 있다. 예를 들면, 다양한 실시형태에서, 성형 공정의 온도를 동적으로 제어하는 것은 최적의 셀 구조를 달성하는데 유용하다. 제어될 수 있는 다른 성형 공정의 다른 요소는 바람직한 가요성 발포체가 형성되도록 생중합체 용융물, 압력, 및 시간을 제어하는 것을 포함한다.
따라서, 상기 관점에서, 본 개시내용은, 예를 들면, 신발 구성요소, 좌석 구성요소, 보호 장비 구성요소, 및 수상 스포츠 장신구에서 사용하기 위한, 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 생물 유래 열가소성 수지로부터 다양한 가요성 발포체 조성물을 사출 성형 초미세 발포하는 공정에 관한 것이다.
생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 가요성 발포체 구조의 생성은 적합한 생중합체 또는 생중합체 블렌드, 예를 들면, 지방족 및 지방족-방향족 코-폴리에스터 기원의 것으로 시작한다. 적합한 생중합체 블렌드의 비제한적인 예는 폴리락트산(PLA) 및 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(PBAT)이다. 상기 언급된 블렌딩된 열가소성 생중합체 수지는 본 발명의 최적의 초미세 가요성 발포체 구조를 형성하는데 유리한 기술적 특성을 갖는다. 일부 향상된 기술적 특성은 허용되는 다른 이점 중에서도 에이징 성질, 탁월한 신장, 및 뛰어난 압축 변형을 포함한다.
최적의 지방족 및 지방족-방향족 코-폴리에스터 생중합체 또는 생중합체 블렌드 단독은 적합한 발포제 및 발포 공정 없이 가요성 발포체를 제조할 수 없다. 오늘날 사용되는 가장 널리 공지된 발포제는 아조다이카본아마이드(ADA)라고 지칭되는 화학물질이다. 아조다이카본아마이드는 전형적으로 통상적인 사출 성형 발포체 공정에서 사용하기 위한 통상적인 열가소성 마스터배취 수지로 미리 함침된다. 불행하게도, ADA는 환경친화적이지 않고, 발암물질로 의심된다. 게다가, 통상적인 석유화학 열가소성 마스터배취 수지는 생분해성이거나 산업적으로 퇴비화 가능하지 않다. 상기 언급된 발명에 있어서 가장 최적의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 달성하기 위하여, 초임계 유체 상태의 불활성 질소 기체 또는 이산화탄소는 변형된 사출 성형 공정에서 물리적 발포제로서 사용된다. 변형된 물리적 발포 공정은 생중합체 또는 생중합체 블렌드 및 발포제가 가장 최적의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체를 제조하는데 조화롭게 작용하도록 적합한 열가소성 생중합체 또는 블렌딩된 생중합체 마스터배취와 협력하여 사용된다.
본 개시내용의 사출 성형된 공정은 생중합체 또는 생중합체 블렌드 및 초임계 유체(SCF)의 단일상 용액이 주입 게이트를 통해 금형 캐비티로 통과할 때 발생하는 균질한 셀 핵형성에 의존한다. 용액이 금형에 진입함에 따라, 압력은 떨어지고 이는 SCF가 셀 핵을 형성하는 용액 밖으로 나오는 것을 유발한다. 그 다음, 셀은 물질이 금형을 채울 때까지 성장하고, SCF의 팽창 능력은 팽창한다. 이러한 제조 공정은 중합체로의 SCF의 계량, 전달, 및 혼합을 허용하여 단일상 용액을 생성하도록 변형된 사출 성형기에서 작동된다. 동적 금형 온도 제어(DMTC)는 팽창되는 중합체 용융물 내의 일정한 셀 구조를 보장하기 위하여 사용된다. DMTC는 금형의 본체 내에 위치한 발열체 및 냉각 채널로서 가장 잘 설명될 수 있고, 이는 동적 온도 제어 시스템에 의해 가열 매질 또는 냉각매질 순환을 통해 공급된다. 이의 기능은 금형 표면 상의 온도의 조절이다. 기체 역압(GCP)은 또한 수득된 가요성 발포체 상의 스킨이 거의 없거나 없는 최적의 발포체 구조를 보장하기 위하여 공정에서 사용된다. GCP는 용융물 내의 기체의 팽창에 대응하는 SCF와 함께 주입된 가압된 금형 캐비티를 포함하는 공정으로서 가장 잘 설명될 수 있다. 역압이 방출됨에 따라, 표면을 통상적으로 돌파하는 기포는 내부에 포획되어, 매끄러운 스킨을 생성한다. GCP는 표면 품질, 발포체 구조, 및 스킨 두께를 통해 발포를 제어한다.
SCF가 용융된 중합체 중에 완전히 용해되고 균일하게 분산된 단일상 용액의 생성은 세심하게 제어된 공정 조건하에 주입 배럴 내부에서 일어난다: SCF는 고정된 양의 시간 동안 중합체로 계량된 정확하게 질량 흐름이어야 한다. 그리고 투입 기간 동안, 온도, 압력 및 전단의 올바른 조건이 배럴 내에 반드시 확립되어야 한다. 배압, 스크루 속도 및 배럴 온도 제어뿐만 아니라 기체 역압 및 SCF 전달 시스템은 모두 단일상 용액을 생성하는 공정 조건을 확립하는데 중요한 역할을 한다.
단일상 용액이 생성되면, 변형된 사출 성형기는 주입 시작할 때까지 용액을 가압된 상태로 유지한다. 기계는 셧오프 노즐과 스크루 위치 제어의 조합된 협력을 통해 이를 달성한다. 능동 또는 수동 스크루 위치 제어는 스크루의 역방향 이동을 통해 감압을 방지한다. 능동 스크루 위치 제어 동안, 스크루의 위치는 계속 모니터링되고, 스크루의 뒤에 적용된 압력은 위치 설정값을 유지하도록 조절되거나, 일정한 압력이 스크루의 뒤에서 유지된다. 수동 위치 제어에서, 배압을 조절하는데 사용되는 오일은 스크루 회수의 종료시 이의 탱크로 배출되는 것을 방지한다. 이러한 잔여 오일은 스크루가 단일상 용액의 압력으로 인하여 역방향으로 이동하지 않도록 막는다.
적절한 금형 설계는 또한 단일상 용액을 유지하는 것을 돕는다. 핫 러너 시스템이 있는 금형은 금형 개방시, 노즐로부터 물질이 흘러내리는 것을 방지하도록 밸브 게이트를 필요로 한다. 기계 노즐 브레이크가 정상 작동 동안 스프루 부싱, 예를 들면, 적층 또는 탠덤 금형과 접촉하는 금형은 스프루 부싱을 필요로 한다. 그렇지 않으면, 핫 러너로부터의 압력은 스프루 부싱을 통해 완화될 것이다.
생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 초미세 발포체를 사출 성형하는데 이용되는 발포제는 초임계 유체(SCF) 상태의 불활성 질소 기체 또는 이산화탄소이다. 각각의 상기 언급된 발포제는 제조되는 최종 부품의 기술적 요건에 따라 이의 위치를 갖는다.
본 발명의 유용한 발포제는 이것이 개선된 중량 감소 및 SCF 이산화탄소보다 훨씬 적은 중량 퍼센트로 미세한 셀 구조를 제공하기 때문에 SCF 질소 기체이다. 사실, SCF 질소 수준은 전형적으로 비슷한 부품을 달성하는데 필요한 SCF 이산화탄소 수준보다 적어도 75% 낮을 것이다. 그러나, SCF 이산화탄소는 두 가지 상황에서 바람직한 발포제이다: 점도 감소가 주요 처리 목표인 경우, 또는 응용이 SCF 질소의 더 공격적인 발포 작용을 견딜 수 없는 경우.
두 발포제의 효과에서 이러한 차이는 생중합체 용융물에서 이들의 거동으로부터 기인한다. 섭씨 31.1 및 72.2 bar에서 SCF 유체가 되는 이산화탄소는 섭씨 -147 및 34 bar에서 초임계 유체가 되는 질소보다 생중합체 중에서 4 내지 5배 더 잘 용해된다. 예를 들면, 미충전 생중합체 중의 포화점은 온도 및 압력 조건에 따라 질소의 약 1.5 내지 2 중량%이고, 이산화탄소의 포화 수준은 8 중량%에 가깝다. 이산화탄소는 또한 생중합체에서 더 큰 이동성을 나타내고, 이는 질소보다 기존의 기포로 추가로 이동하는 것을 허용한다. 셀 핵형성의 관점에서, 더 큰 용해도 및 이동성은 더 적은 셀이 핵형성될 것이고 핵형성된 것들이 더 커지는 경향이 있다는 것을 의미한다.
그러나, 용해도는 점도 감소가 목표인 경우 이점이 된다. 생중합체 중에 용해된 SCF는 가소제로서 작용하여, 생중합체의 점도를 감소시킨다. 점도 감소는 부분적으로 생중합체에 첨가된 SCF의 양의 함수이고 이산화탄소는 질소보다 높은 용해도 한계를 갖기 때문에, 이산화탄소에 의한 점도 감소 능력은 더 크다.
이산화탄소는 또한 부품을 제조하는데 필요한 질소의 양이 너무 낮아 부품을 일관되게 처리할 수 없을 때 바람직하다. 이산화탄소가 훨씬 덜 공격적인 발포제이기 때문에, 이산화탄소의 낮은 수준을 작동시키는 게 쉬울 때가 있다. 예를 들면, 0.05% 미만에서 질소의 매우 낮은 수준과 비교하여 0.15 또는 0.2% 이산화탄소. 이전 예에서 나타낸 바와 같은 경우에는 주로 연질 물질 및 두꺼운 단면을 가진 부품에서 발생한다.
재활용 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 및 이의 제조 방법
도 4 및 6은 본 개시내용에 따른 재활용 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체(402) 및 이의 제조 방법을 예시화한다. 도 4를 참조하면, 발포체(402)는 바람직하게는 폐쇄 셀 발포체이지만 또한 잠재적으로 개방 셀 발포체로 형성될 수 있다. 다양한 구현예에서, 발포체(402)는 통상적인 재활용 불가능한 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 발포체 등의 것과 적어도 대략 유사한 성질 및 특성을 갖도록 제조될 수 있다.
하기 매우 상세하게 논의된 바와 같이, 재활용 가능한 발포체(402)는 도 5에 도시된 사출 성형기를 사용하여 열가소성 중합체를 가공함으로써 제조된다. 재활용 가능한 가요성 발포체(402)의 제조에 사용되는 열가소성 중합체는 임의로 임의의 수의 폴리아마이드계 열가소성 중합체, 폴리아마이드 공중합체 등으로부터 생성될 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 적합한 중합체의 비제한적인 예는 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 6/6-6, 및 폴리아마이드 12로 이루어진다. 대안적으로, 열가소성 중합체는 임의의 수의 폴리아마이드 블록 공중합체, 예를 들면, 폴리에터-블록-아마이드(PEBA), PAE, TPA, TPE-A, COPA 등을 포함할 수 있다. 적합한 중합체 및 공중합체의 다른 비제한적인 예는 Ascend Performance Materials, LLC(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의하여 상표명 Vydyne으로 시판되는 폴리아마이드 66 공중합체이다. 상기 언급된 열가소성 중합체 수지는 본 발명의 최적의 초미세 가요성 발포체 구조를 형성하는데 유리한 기술적 특성을 나타냈다. 향상된 기술적 특성 중 일부는 다른 이득 중에서도 우수한 에이징 특성, 우수한 신장, 인장 강도, 및 압축 변형을 포함한다.
추가로, 둘 이상의 열가소성 중합체의 블렌드는 단일 중합체에서 찾을 수 없는 성질과 가격의 조합을 제공한다. 중합체를 함께 성공적으로 블렌딩하는 다수의 방식이 있다. 하기 매우 상세하게 논의된 바와 같이, 둘 이상의 열가소성 중합체를 함께 이축 압출한 다음, 용융된 중합체 수지 블렌드를 스트랜드로 압출하고, 이를 냉각시키고 마스터배취로 지칭되는 펠릿화된 조각의 어레이를 생성하기 위하여 공급한다. 중합체 수지 블렌딩의 또 다른 방법은 상용화제를 사용하여 중합체 블렌드 중에 화학과 달리 조합하는 것이다. 일반적으로, 이는 이축 압출 등을 사용하여 상용화제 및 둘 이상의 중합체를 상기 기재된 비제한적인 열가소성 중합체 유형 중에서 함께 용융시킬 수 있다.
하나의 실시형태에서, 열가소성 중합체는 소비 후 또는 산업 후 재활용된 공급원료로부터 유래된 적어도 하나의 단량체 또는 중합체를 포함한다. 예를 들면, 열가고성 중합체는 카프로락탐, 재활용된 폴리에터 블록 아마이드 중합체 등을 포함한다. 예시로서, 카프로락탐은 산업 후 또는 소비 후 물질 함유 폴리아마이드, 예를 들면, 어망, 카페트 섬유, 또는 산업 폐기물을 해중합함으로써 이러한 재활용된 공급원료로부터 유래될 수 있다. 소비 후 해중합된 또는 산업 후 재활용된 카프로락탐의 비제한적인 예는, 플레이크, 액체 또는 용융물인지 여부와 관계 없이, Aquafil USA Inc.(미국 조지아주 카터스빌 소재)에 의해 제공된 ECONYL® 카프로락탐을 포함한다. 열가소성 중합체는 추가로 또는 대안적으로 수집되고 분류되고 용융되고 재가공된 산업 후 또는 소비 후 폴리아마이드 카페트 섬유로부터 유래된 폴리아마이드 중합체를 포함한다. 산업 후 카페트 섬유로부터 유래된 하나의 이러한 폴리아마이드 중합체는 Aquafil USA Inc.(미국 조지아주 카터스빌 소재)에 의해 제조된 Econyl이다. 추가로, 폴리아마이드 폐기물은 전세계적으로 해양으로부터 또는 근처에서 어망의 형태로 수집될 수 있거나, 그 다음, 분류되고, 용융되고, 업사이클링된 사용 가능한 폴리아마이드 물질로 재가공될 수 있다. 수집된 산업 후 어망으로부터 유래된 예시적인 폴리아마이드 중합체는 Koninklijke DSM N.V.(네덜란드 헬렌 소재)에 의해 제조된 Akulon Repurposed이다.
응용에 따라, 첨가제가 또한 중합체 제제화에서 이용될 수 있다. 예를 들면, 충전제, 예를 들면, 침전 탄산칼슘, 울리틱 아라고나이트, 전분, 바이오매스 등은 마감된 가요성 발포체의 재활용 가능한 무결성을 유지하면서 부분 비용을 감소시키는데 이용될 수 있다.
추가로, 중합체 제제화에서 사용되는 첨가제는 하기 중 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 핵형성제, 예를 들면, 마이크로 판상 탤크 또는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트가 포함될 수 있다. 이러한 핵형성제는 다른 유리하게 향상된 특징 중에서도 셀 병합을 방지하고, 벌크 밀도를 낮추고, 충돌 탄성을 개선시킴으로써 수득된 가요성 발포체의 주요 성질을 크게 개선시킬 수 있다. 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체의 도입에서 사용하기 위한 핵형성제의 몇몇 비제한적인 예는 Imerys Talc America Inc.(미국 텍사스주 휴스턴 소재)에 의해 Mistrocell®로 시판되는 마이크로 판상 탤크 및 Calcean Minerals & Meterials LLC(미국 앨라배마주 개즈던 소재)에 의해 OceanCal®로 시판되는 높은 종횡비의 울리틱 아라고나이트이다.
착색제, 염료, 및 안료가 또한 포함될 수 있다. 예를 들면, 다양한 착색제, 예를 들면, 염료, 안료, 또는 바이오-안료가 본 발명의 생중합체 제제화에서 임의로 사용될 수 있다. 몇몇 비제한적인 예는 생중합체 사용의 특정한 유형을 위해 맞춤 제작된 식물 기원의 천연 안료, 예를 들면, Treffert GmBH & Co. KG(독일 빙겐 암 라인 소재)에 의해 제공된 광범위한 것들 또는 Holland Colours Americas Inc.(미국 인디애나주 리치몬드 소재)에 의해 제공되는 것들이다.
초미세 가요성 발포체를 생성하는 재활용된 공급원료의 사용은 지속 가능한 물질을 공급함으로써 팽창된 열가소성 중합체 발포체의 생성과 전형적으로 연관되는 환경적 영향을 감소시킨다. 하기 매우 상세하게 논의된 바와 같이, 본 개시내용의 초미세 가요성 발포체를 생성하는 방법은 수득된 제품이 새로운 제품을 초미세 가요성 발포체로부터 생성하거나 대안적으로 열가소성 중합체를 이용하여 다른 제품을 생성하는데 후속적으로 이용될 수 있는 열가소성 중합체로 추가로 재활용될 수 있기 때문에 재활용된 공급원료를 사용하는 환경적 이점을 증가시킨다.
가요성 발포체의 제조 방법
도 5 및 6은 도 4에 도시된 재활용된 가요성 발포체(402)를 제조하기 위한 사출 성형기(506) 및 방법(600)을 예시화한다. 따라서, 하나의 측면에서 본 개시내용은 열가소성 중합체의 발포 방법에 관한 것이다. 하기 매우 상세하게 기재된 바와 같이, 방법은 발포체(402)로부터의 다수의 임의의 최종 제품, 예를 들면, 신발 구성요소를 포함하는 기술적 운동 장비, 및 쿠션재, 충격 보호, 편안함 등의 특징이 바람직한 다른 제품을 생성하도록 이용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 사출 성형 장치(506)는 복수의 열가소성 중합체(502)를 수용하고 성형 장치(506)로 도입하도록 구성된 호퍼(504)를 포함한다. 배럴(507)은 호퍼(504)에 연결되고, 열가소성 중합체(502)를 수용하고 전문화된 왕복 스크루형 플런저(508)를 포함하도록 구성된다. 배럴(507)은 또한 배럴(507)의 내용물을 가열하고 냉각시키는 온도 제어 유닛(도시되지 않음)을 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 온도 및 압력 측정 장치(505)를 갖는 컴퓨터 제어기(503)는 배럴(507) 내에 온도 및 압력을 감지하도록 구성된다. 기체 투입 시스템(509)은 배럴(507)에 유체 연결되고, 유체(510)를 수용하고 배럴(507)로 도입하도록 구성된 계량 유닛(512)을 포함한다. 기체 투입 시스템(509)은 임계 온도 및 압력(각각 Tc 및 Pc)을 초과하는 유체(510)를 유지하여 초임계 유체(SCF)(510)를 생성한다. 본 개시내용의 방법에서, SCF(510)는 아조다이카본아마이드(ADA)와 같은 가요성 발포체 생산의 통상적인 방법에서 이용되는 화학적 발포제를 대체하는 물리적 발포제로서 사용된다. 예로서, SCF(510)는 불활성 또는 비활성 기체, 예를 들면, 질소, 이산화탄소, 헬륨, 네온, 아르곤 또는 제논을 포함할 수 있다. 본 개시내용의 방법은 환경적으로 유해하고 발암물질로 의심되는 ADA를 공정에서 제거하고 이를 불활성 또는 비활성 SCF로 대체함으로써 통상적인 가요성 발포체 성형 방법과 비교하여 환경적 충격을 개선시킬 뿐만 아니라, 하기 추가로 논의될 것인 바와 같이, 본 개시내용의 가요성 발포체(402)는 본 명세서에 기재된 방법의 결과로서 이들의 유용한 수명의 종료시 재활용될 수 있다.
도 6을 참조하면, 재활용 가능한 가요성 발포체(102)의 제조 방법은 열가소성 중합체(502)를 선택하고, 열가소성 중합체(502)를 사출 성형기(506)의 호퍼(504)에 공급하는 단계 602로 시작할 수 있다. 후속적으로, 단계 604에서, 그 다음, 열가소성 중합체(502)는 호퍼(504)로부터 배럴(507)로 공급되고, 가열된다. 단계 606에서, 스크루형 플런저(508)가 사출 성형기(506)를 통해 열가소성 중합체(502)를 이동시킴에 따라, 가열된 배럴(507)은 열가소성 중합체(502)를 용융시킨다. 추가로, 제어기(503)는 스크루 속도를 제어하고 조절하도록 구성될 수 있다.
단계 608에서, SCF(510)는 사출 성형 장치(506)에 연결된 계량 유닛(512)을 통해 주입기(511)를 통해 배럴(507)로 도입되고, SCF(510)는 용융된 열가소성 중합체(502) 중에서 용해되어 단일상 용액을 생성한다. SCF(510)는 용융물 내의 농도를 조절할 수 있고, 이는 수득되는 발포 정도에 영향을 미친다. 도 5를 참조하면, 계량 시스템(512)은 SCF를 적절한 양으로 열가소성 중합체(502) 중에 투입하도록 구성된다. 초기 SCF 기체 농도의 비제한적인 예는 176℃ 내지 250℃, 더 바람직하게는 180℃의 용융물 온도 범위에서 Co = 0.25%일 수 있다. 추가로, 제어기(503)는 SCF(510)가 SCF 주입기를 통해 배럴(507)로 도입되는 압력을 제어한다. SCF(510)는 용융된 열가소성 중합체(502)를 포화시켜 단일상 용액을 생성한다. 추가로, 스크루형 플런저(508)는 배럴(507) 내에서 열가소성 중합체(502) 및 SCF(510)를 균질화하고 단일상 용액을 생성하는데 필요한 속도로 회전한다. 스크루(508)는 배럴(507) 내에서 1 내지 200 rpm, 바람직하게는, 약 20 rpm 내지 약 60 rpm으로 회전할 수 있다.
포화에 관하여, 사출 성형기(506)는 스크루 회전 동안 용융된 열가소성 중합체(502)를 포화시키는 온도 및 압력하에 기체를 배럴(507)로 전달하도록 구성된다. 구체적으로, 제어기(503)는 SCF 전달 압력과 SCF 용량 중량의 조합을 제어하도록 구성된다. SCF 압력 및 용량은 단일상 용액에 영향을 미치는 방식으로 제어될 수 있다. 즉, SCF 용량이 작을수록, 생중합체 용융물 내에서 필요한 SCF 포화는 작아지는 반면, SCF 용량이 클수록, 용융물 내에서 필요한 SCF 포화가 많아진다. 마찬가지로, SCF 전달 압력이 낮을수록, 포화의 흡수는 낮아지고, 따라서 용융된 생중합체 용융물 내의 기포를 형성하기 위하여 성장할 수 있는 핵의 성장은 낮아진다. 게다가, SCF 전달 압력이 클수록, 포화의 흡수는 커지고, 따라서, 용융된 용융물 내의 기포를 형성하기 위하여 성장할 수 있는 핵의 성장은 커진다.
제어기(503)는 제조되는 가요성 발포체의 유형 및 제조되는 최종 제품의 유형에 따른 방식으로 온도 및 압력을 다양하게 제어한다. 구체적으로, 시스템 전체에서, 예를 들면, 배럴(507) 내에서 온도는 배럴 내에서 100℃ 내지 600℃, 예를 들면, 200℃ 내지 500℃, 예를 들면, 300℃ 내지 400℃, 더 특히, 360℃ 내지 380℃를 포함하는 320℃ 내지 380℃ 범위가 되도록 제어될 수 있다. 마찬가지로, SCF 전달 압력은 1,000 내지 8,000 PSI, 예를 들면, 1,500 내지 6,000 PSI, 예를 들면, 2,000 내지 5,500 PSI, 특히, 3,000 내지 4,000 PSI, 더 특히 2,600 내지 2,800 PSI 범위가 되도록 미세하게 제어될 수 있다.
도 5에 예시화된 실시형태에서, 제어기(503)는 포화의 양을 결정하는 센서를 사용하여 SCF(510) 농도를 결정하고 제어하고, 포화 공정 진행을 평가하고, 압력 및 온도를 조절한다. SCF(510)는 왕복 스크루(508)의 회전 동안 용융된 열가소성 중합체(502)를 제어 가능하게 포화시켜 명확한 온도 및 압력하에 단일상 용액을 생성한다. SCF는 2-부분 용융된 열가소성 중합체 화합물 혼합물 중 한 부분이고, 본 발명의 사출 금형에서 명확한 압력 및 온도의 존재하에 물리적 발포제로서 사용된다.
하기 더 상세하게 논의되는 바와 같이, SCF(510) 발포제는 최종 가요성 발포체(402) 제품의 기술적 요건을 기반으로 상기 열거된 비활성 및 불활성 유체의 목록으로부터 선택될 수 있다. 예를 들면, 이의 초임계 상태인 이산화탄소는 동일한 압력에서 질소보다 밀도가 높지만, 더 높은 열용량을 갖는다. 초임계 상태의 이산화탄소는 특정한 쿠션재 응용에 유용할 수 있는 밀도 높은 발포체를 제조한다. 대조적으로, 초임계 질소는 신발 및 운동용품을 위한 발포체(402)를 생성하는 경우, 사용될 수 있는 더 작은 핵을 가진 낮은 밀도의 발포된 부품을 제조하는데 사용될 수 있다.
그러나, 용해도는 점도 감소가 목표인 경우 이점이 된다. 재활용 가능한 열가소성 중합체(502) 중에 용해된 SCF는 가소제로서 작용하여, 열가소성 중합체(502)의 점도를 감소시킨다. 점도 감소는 부분적으로 재활용 가능한 열가소성 중합체(502)에 첨가된 SCF의 양의 함수이고 이산화탄소는 질소보다 높은 용해도 한계를 갖기 때문에, 이산화탄소에 의한 점도 감소 능력은 더 크다. 이산화탄소는 또한 부품을 제조하는데 필요한 질소의 양이 너무 낮아 부품을 일관되게 처리할 수 없을 때 유용하다.
이산화탄소가 훨씬 덜 공격적인 발포제이기 때문에, 이산화탄소의 낮은 수준을 작동시키는 게 쉬울 때가 있다. 예를 들면, 0.05% 미만에서 질소의 매우 낮은 수준과 비교하여 0.15 또는 0.2% 이산화탄소. 이전 예에서 나타낸 바와 같은 경우에는 주로 연질 물질 및 두꺼운 단면을 가진 부품에서 발생한다. 따라서, 이것이 질소든, 이산화탄소든, 또는 상기 열거된 다른 불활성 및 비활성 기체든지, 물리적 발포제는 최종 발포된 부품 및 이들을 함유할 것인 최종 제품에서 유용한 역할을 한다.
혼화성 열가소성 중합체 또는 열가소성 중합체 화합물과 관련된 SCF 기체의 적절한 조합을 선택하는 것이 유용하다. 둘째, 최적의 투입 중량 및 압력을 거쳐 SCF 기체를 적절하게 이용하는 것은 단일상 용액 내에서 최대 포화를 제공하고, 핵의 생성(하기 상세하게 기재될 것인 바와 같은 매트릭스의 발포에서 다수의 균일한 기포의 생성)에 영향을 준다. 추가로, 최종 결과인 균질하게 형성된 사출 성형된 가요성 발포된 부품은 상업적으로 허용되는 성형된 발포된 부품을 달성하기 위하여 사출 성형기 온도, 압력, 및 홀드 시간과 공생하는 SCF 기체 투입 공정 및 기체 역압의 사용의 모든 측면에 의존한다.
도 5를 참조하면, 왕복 스크루(508)는 배럴(507)의 캐비티 내에서 용융된 열가소성 중합체(502)를 압축하고 이동시키도록 추가로 구성된다. 기체 역압(GCP) 시스템(516)은 용융된 열가소성 중합체(502)의 팽창을 제어하기 위하여 기체 역압을 배럴(507)에 전달하도록 구성된다. 도 5에 예시화된 실시형태에서, GCP 시스템(516)은 기체 펌프(515), 불활성 기체, 예를 들면, 질소 또는 이산화탄소를 포함하는 기체 저장소(518), 압축기(517), 압력 센서(519), 및 기체 제어 밸브(520)를 포함한다. 왕복 스크루형 플런저(508) 및 배럴(507)은 또한 배압을 제공하고 열가소성 중합체(502)를 배럴(507)과 유체 소통되도록 배치된 캐비티를 갖는 금형(514)에 전달하도록 구성되고, 용융된 열가소성 중합체(502)를 수용하도록 구성된다(하기 더 상세하게 기재됨). 도 5에 도시된 실시형태에서, 스크루형 플런저(508) 및 배럴(507)은 약 2,000 psi 내지 약 3,000 psi, 더 바람직하게는 2,700 psi 내지 2,800 psi 범위를 적용하도록 구성된다. 스크루형 플런저(508) 및 배럴(507)의 구성은 또한 SCF(510) 투입이 시작되는 위치를 설정하고, 그 다음, SCF 주입기를 개방 또는 폐쇄 위치로 설정할 수 있. 위치는 SCF(510) 투입의 시작 전에 스크루 회수 동안 배럴의 압력이 안정적이 되도록 설정되어야 한다. 비제한적인 예로서, 개방 위치는 0.3 내지 0.4 인치의 범위일 수 있다.
GCP 시스템 이외에, 도 5에 예시화된 사출 성형기(506)는 금형(514) 내의 온도를 제어하도록 구성된 동적 금형 온도 제어(DMTC)(522)를 포함한다. DMTC(522)는 GCP 시스템(516)와 협력하여 팽창하는 열가소성 중합체(502) 내의 일정한 셀 구조를 보장하기 위하여 사용될 수 있다. DMTC(522)는 주입 충전 단계 동안 금형 온도 및/또는 압력의 신속한 변화 및 제어에 영향을 미치고, 역압과 함께 또는 없이, 온 및 냉 열 사이클링의 사용을 통해 금형 온도 및/또는 압력을 동적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 제어기(503)는 DMTC(522)를 통해 주입 단계(610) 동안 금형(514) 온도를 제어하도록 구성된다. 더 특히, 통상적으로 공지된 사출 성형 공정과 비교하여, 본 명세서에서 사용되는 동적 금형 온도 제어의 중요한 특성은 금형 온도 그 자체가 동적으로 제어될 수 있다는 것이다. 도 5에 예시화된 DMTC(522)는 신속한 전기 막대 가열 및 신속한 수냉각을 이용한다. 구체적으로, DMTC(522)는 5개의 주요 구성요소를 포함한다: 공기 압축기(도시되지 않음), 밸브 교환 장치(526), 컴퓨터 제어된 금형 온도 제어 유닛(제어기(503) 내에 위치함), 전기 가열 막대(금형(514) 내에 위치함), 및 냉각탑(532). 냉각탑(532)은 금형에 충분한 냉각수를 공급하는데 사용될 수 있다. 공기 압축기는 공압 밸브의 기체를 구동함으로써 압축된 공기를 생성하고 잔여 냉각수가 냉각 후 금형으로 진입하는 것을 배제하기 위하여 사용된다. 도 5에 도시된 실시형태에서, 수가열 유닛(534)이 또한 포함되고, 밸브 교환 장치(526)는 온 및 냉 열 사이클링을 제공하기 위하여 파이프라인으로부터 금형(514)으로 상이한 매질을 수송하도록 밸브를 전환하는데 사용된다. 예를 들면, DMTC(522)는 약 15℃ 내지 약 30℃ 범위의 수냉각을 제공할 수 있고, 전기 가열 막대는 금형을 약 60℃ 내지 약 150℃로 가열할 수 있고, 90℃ 내지 130℃ 범위로 최적으로 가열할 수 있다.
도 5에 도시된 사출 성형기(506)는 반응하는 물질의 통과를 위하여 파이프 및 다른 도관을 포함하고, 이러한 도관은 도관 및 파이프로 및/또는 이를 통해 이들이 펌핑됨으로써 반응물을 가열 및/또는 냉각시키기 위하여 하나 이상의 가열 교환 유닛과 연관된다. 이러한 경우, 교환기는 온도를 반응성 수준으로 조절하기 위하여 제어될 수 있다. 파이프의 한쪽 말단에 분사 헤드가 포함될 수 있고, 이는 하나 이상의 밸브와 연관된다. 추가로, 분사 헤드는 처리 라인까지 연결될 수 있다. 전기적으로 가열된 금형이 발포된 부품의 최종 형상을 성형하기 위하여 사용된다. 금형 온도 제어의 기능은 금형의 가열 및 냉각을 제어하는 것이고, 이는 모두 컴퓨터 제어에 의해 사출 성형기에 의해 조정된다.
따라서, 본 명세서에서 실시되는 바와 같이, 제어기(503)는 하기 기재된 바와 같은 주입 단계에서 상이한 기체 압력을 적용함으로써 기체 역압을 실시하여 발포 공정의 제어를 개선시킨다. 제어기(503)는 GCP 시스템(516) 및 DMTC(522)를 조작하여 온도 및 압력을 조절하고, 이로써 용융된 열가소성 중합체(502) 및 수득된 발포 매트릭스 내에서 핵형성 및 수득된 기포를 제어하도록 구성된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 단계 610에서 열가소성 플런저(508)는 다시 휴지되는 노즐(도시되지 않음)을 통해 용융된 열가소성 중합체(502)를 전진시키고, 열가소성 중합체(502)를 금형(514)에 주입한다. 사출 성형기(506)는 단일상 열가소성 중합체(502)의 측정된 샷을 동적으로 온도 제어된 금형 캐비티(514)로 보낸다. 주입 단계 610 전에, DMTC(522)는 금형(514)을 미리 정해진 상한으로 가열한다. 주입 단계 610 동안, DMTC(522)는 금형 캐비티(514)의 온도를 용융된 열가소성 엘라스토머(502)가 이르게 고체화되는 것을 방지하기 위하여 상한보다 높게 유지한다. GCP 시스템(516)은 금형(514) 내의 기체 역압을 전달하여 핵 성장을 제어하여, 기포를 발포된 부품이 형성됨에 따른 열가소성 중합체(502)의 표면을 통한 접촉 및 파괴로부터 방지한다. 이는 열가소성 중합체(502) 단일상 용액이 금형 캐비티(514)에 주입되는 것과 동시에 또는 그 근처에 금형 캐비티로 GCP 시스템(516)에 의해 적용되는 대응 압력에 의해 달성된다. 불활성 기포는 주입 단계 610 동안 열가소성 중합체(502) 내에 SCF(510)를 보유하는데 충분한 힘의 대상이 된다.
도 6을 참조하면, 단계 612 및 614에서 제어기(503)는 금형(514) 내의 압력 및 온도를 조적하여 열가소성 중합체(502)의 물리적 발포를 제어한다. 금형(612)의 온도를 동적으로 제어하고 기체 역압을 금형(614)에 적용하는 단계가 도 6의 흐름도에 분리된 단계로 예시화되었음에도 불구하고, 단계 612 및 614는 금형 내의 온도 및 압력의 제어기(503)와 동시에 또는 밀접하게 연속적으로 수행될 수 있다. 단계 612 및 614에서, 핵 성장은 용융된 열가소성 중합체(502)에서 경험되고, 다수의 초미세 기포가 형성된다. 제어기(503)(도 5)가 단계 612에서 온도를 상승시키거나 하락시킴에 따라, SCF(510)는 기화되고, 열가소성 중합체(502)가 금형(514) 내에서 발포되는 것을 유발하는 기포가 된다. 단계 614에서 GCP 시스템(516)은 최적의 미용적 외양을 위한 질감을 컨디셔닝하는 실질적으로 균일한 기포 및 기체 역압을 생성하는 컴퓨터 제어에 의해 금형으로 역압 기체의 미리 계량된 용량을 보낸다. 기포는 열가소성 중합체(502)가 금형(514)을 충전할 때까지 성장하고, SCF(510)의 팽창 능력은 팽창된다. 기포는 미크론 크기에 도달하기 때문에, 공정은 초미세 발포를 생성한다. SCF(510) 농도는 기포의 구조에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제어기(503)는 유용하고/하거나 결정된 기포 구조를 제조하기 위하여 온도 및 기체 역압 파라미터를 선택한다. 부품의 금형이 끝남에 따라, 금형은 냉각되고, 열가소성 중합체는 고체화된다. 도 6에 도시된 실시형태에서, 단계 616에서 동적으로 온도 제어된 금형 온도는 수냉각으로 전환되고, 기포의 형성 및 열가소성 중합체(502)의 팽창은 느려지고 중단된다. DMTC(522)는 금형(514)을 하한(방출 온도)로 빠르게 냉각시키고, 가요성 발포체 성형된 부품(402)은 이제 형성되고, 이는 금형으로부터 방출된다.
재활용 가능한 사출 성형된 초미세 가요성 발포체 제품
도 4는 본 개시내용의 신발 구성요소를 도시한다. 더 구체적으로, 재활용 가능한 가요성 발포체(402)로 만들어진 재활용 가능한 초미세 가요성 발포체 신발 중창(400).
상기 간략하게 논의된 바와 같이, 상기 논의된 재활용 가능한 제조 방법은 수득된 제품이 새로운 다른 플라스틱 물질을 제조하는데 사용하기 위한 열가소성 중합체로 재중합될 수 있는 단량체로 추가로 재활용될 수 있기 때문에, 재활용된 공급원료로부터 개발된 단량체 및 중합체를 이용하는 환경적으로 유리한 효과를 증가시킨다. 특히, 재활용되도록 구성된 물품을 제조하는 것은 마감된 물품에서 파괴되지 않거나 사용 중 떨어져 나오지 않는 방식으로 기능화됨으로써, 가요성 발포체가 수득된 제품의 사용 가능한 수명을 지속하는 것을 보장한다. 예를 들면, 본 개시내용의 가요성 발포체로 만들어진 가구, 신발 한 켤레, 또는 다른 운동 장비를 구입하는 사람은 제품의 사용 가능한 수명의 종료 전에 규칙적인 사용 동안 발포체 분해를 갖는 경우에만 해로울 것이다.
더 특히, 본 개시내용은 제조 공정 동안 가교결합되지 않은 상기 열거된 불활성 물리적 발포제 및 열가소성 중합체 화합물의 사용으로부터 이득을 얻는다. 수득된 재활용 가능한 가요성 발포체(402)는 가교결합되지 않고, 해로운 화학적 발포제, 예를 들면, ADA를 함유하지 않으며, 환경적으로 양성이다. 추가로, 재활용 가능한 가요성 발포체(402)는 신발의 제조에서 사용하기 위한 신발 발포체와 같은 최종 제품의 많은 유형에서 사용될 수 있다.
재활용 가능한 가요성 발포체(402)는 제품의 사용 수명의 종료시 적절한 재활용 시설로 폐기물 전환을 통해 재전송될 수 있다. 재활용 가능한 가요성 발포체(402)가 화학적 발포제, 예를 들면, ADA를 사용하지 않고, 본 명세서에 기재된 방법이 이들의 제조 동안 가교결합되는 열가소성 중합체를 이용하지 않기 때문에, 재활용 가능한 발포체(402)는 분쇄되고 재처리되고 하나 이상의 단량체로 해중합될 수 있다. 하나의 이러한 해중합된 단량체는 플레이크, 액체 또는 용융물인지 여부와 관계 없이, Aquafil USA Inc.(미국 조지아주 카터스빌 소재)에 의해 제공된 ECONYL® 카프로락탐, 또는 플레이크, 액체 또는 용융물인지 여부와 관계 없이, DSM Engineering Plastics Americas(미국 미시간주 트로이 소재)에 의해 제공된, 해중합된 카프로락탐이다.
도 7을 참조하면, 본 개시내용의 방법은 이에 따라 PEBA와 같은 중합체의 온도가 시일링 온도 아래까지 상승하고, 임의의 다수의 화학 시약 또는 촉매가 이의 구성 단량체로 해중합되는데 이용되는, 열적 및 화학적 해중합 공정을 이용하는 재활용 가능한 발포체(402)의 재활용 방법(700)을 고려한다. 도 7에 예시화된 실시형태에서, 해중합 공정은 재활용 가능한 발포체(402)의 열가소성 중합체를 임의의 폐기물로부터 기계적으로 분리하는 단계 702로 시작한다. 단계 704에서 해중합 촉매는 분리된 열가소성 중합체로 도입된다. 해중합 촉매의 비제한적인 예는 인산 및 붕산과 같은 산을 포함한다. 단계 706에서 열은, 예를 들면, 카프로락탐 및 임의의 다른 휘발성 화합물을 증류시키고 카프로락탐 단량체를 함유한 증류액을 제조하도록 작용할 수 있는 과열 증기를 통해 적용된다. 적용되는 온도는 약 100℃ 내지 약 325℃ 범위일 수 있다. 단계 708에서 증류액을 분별하여 물 및 카프로락탐을 해중합 방법의 다른 부산물로부터 분리한다. 단계 710에서, 산화제는 분리된 수성 카프로락탐으로 도입된다. 산화제의 일부 비제한적인 예는 과망간산칼륨, 수소, 산소, 중크롬산칼륨, 나트륨 또는 칼륨 차아염소산염, 과염소산염, 또는 과붕산을 포함한다. 단계 712에서 산화된 수성 카프로락탐은, 예를 들면, 증발을 통해 농축된다. 단계 714에서 농축된 카프로락탐 단량체는, 예를 들면, 진공 증류를 통해 정제된다.
단계 714에서 카프로락탐 단량체의 정제 후, 해중합된 단량체는 열가소성 중합체로 해중합되고, 더 많은 재활용 가능한 가요성 발포체(402)를 만드는데 이용될 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 방법은 새로운 미정제 화석 연료 또는 다른 재생 불가능한 공급원료의 사용과 반대로, 이에 의해 제조된 제품이 파괴되고 새로운 제품으로 제조되고 상업상 유통경로로 재진입하는 순환 공정을 확립한다. 게다가, 본 개시내용의 재활용 가능한 발포체(402)는 사용 가능한 수명 동안 기술적 성능 특성 또는 이들의 환경에 관심이 있는 설계를 타협하지 않는다.
상기 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 장치, 시스템, 및 이의 사용 방법은 하나 이상의 성형된 최종 제품, 예를 들면, 신발, 좌석, 자동차, 보호 장비, 및/또는 운동 장비에서 사용을 위한 구성요소를 제조하기 위한 목적으로 사용될 수 있다. 따라서, 따라서 실시형태에서, 신발의 구성에 유용한 하나 이상의 구성요소, 예를 들면, 이의 밑창, 중창, 및/또는 안창이 본 명세서에서 제공되고, 예를 들면, 여기서 밑창은 신발의 바닥을 형성하고, 땅과 접촉하게 만들어지도록 구성되고, 중창은 중간 구조적 쿠션재 요소를 형성하고, 안창은 신발 내에 삽입되어 쿠션재를 제공하고/하거나 신발을 지지하도록 구성된다.
특정한 실시형태에서, 신발 구성요소는 환경 친화적이고 재활용 가능할 수 있는 본 명세서에 개시된 방법(600)에 따라 제조된 재활용 가능한 발포체(402)를 포함할 수 있다. 다양한 경우, 각각의 개별적인 구성요소는 베이스층 및 쿠션층을 포함하는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 특정한 실시형태에서, 지지 부재, 예를 들면, 베이스층에 커플링되는 지지 부재가 포함될 수 있고, 여기서 구성요소는 아치 접촉부 또는 뒤꿈치 접촉부 중 하나 이상을 갖는 안창이다.
특히, 다양한 실시형태에서, 발포된 물질이 제조될 수 있고, 예를 들면, 여기서 발포체 물질은 쿠션, 쿠션이 있는 가구, 신발 구성요소, 예를 들면, 이의 안창, 매트, 섬유, 직물 등의 제조에서 사용될 수 있다. 다른 유용한 제품은 코킹, 예를 들면, 실리콘 코킹, 실리콘 의료 장갑, 약물 전달 시스템용 실리콘 튜브, 실리콘 접착제, 실리콘 윤활제, 실리콘 페인트, 및 다른 적합한 실리콘 제품, 예를 들면, 콘돔을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 발포체 제품은 발포된 물질이 항균성, 항박테리아성, 항진균성, 항바이러스성, 및/또는 내염성 성질 중 하나 이상을 가질 수 있는 방식으로 제조될 수 있다.
더 특히, 하나의 측면에서, 본 개시내용은 일반적으로 가구, 예를 들면, 덮개가 씌워진 가구 및/또는 이의 쿠션, 예를 들면, 생분해성이고/이거나 퇴비화 가능한 발포체를 포함하거나 그렇지 않으면 이로 구성된 가구의 제조 공정에 관한 것일 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 발포체는 이렇게 제조된 발포체 삽입물을 포함하는 가구의 제조에서 사용하는데 유리하다. 제조되고 사용되는 수지 및 발포체는 쿠션재 물질, 예를 들면, 베개, 소파, 침대, 좌석 쿠션, 또는 다른 덮개가 씌워진 가구 등으로 사용되는데 유리하다는 것이 증명되었다.
예를 들면, 방법(600)은 재활용 가능한 발포체(402)의 소형 내지 대형 블록을 제조하는데, 예를 들면, 가구 또는 자동차 보조 구성요소에서 사용하기 위한 발포체를 형성하는데 사용될 수 있다. 그 다음, 블록 발포체는 제조되는 가구의 유형 및 형태를 기반으로 원하는 크기 및 형상의 더 작은 블록으로 절단될 수 있다. 구체적으로, 그 다음, 크기를 갖고 절단된 블록을 가구 또는 자동차 프레임 또는 다른 결합 물질 내에 적용하거나 그렇지 않으면 장착할 수 있고, 베개, 소파, 쿠션, 예를 들면, 소파 또는 자동차 쿠션 등이든 상관없이 이와 함께 덮어 최종 가구 제품을 제조할 수 있다. 추가로, 원하는 경우, 외부 케이싱 또는 결합 물질은 프레임 물질에, 예를 들면, 물품의 프레임에 스테이플링되고/되거나 택킹되거나 그렇지 않으면 고정됨으로써 부착되어 천 또는 다른 물질로 덮개가 씌워지고 덮일 수 있다.
따라서, 다양한 실시형태에서, 덮개가 씌워진 가구, 예를 들면, 소파 또는 자동차 시트, 프레임이 제조될 수 있다. 가구의 다양한 내부, 예를 들면, 구조적 구성요소는 프레임, 예를 들면, 스프링 등에 설치될 수 있고, 그 다음, 재활용 가능한 가요성 발포체(402)는, 예를 들면, 쿠션재 및/또는 절연을 위하여 스프링 내에, 그 위에, 그리고 그 주변에 위치할 수 있다. 물론, 면, 울, 펠트, 고무계 제품 등의 층과 같은 다른 물질이 포함될 수 있고, 그 다음, 프레임을 덮고 제품 제조를 마감하기 위하여 커버 물질이 추가될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 재활용 가능한 발포체는 본 명세서에 개시된 다른 물질과 함께 패딩 또는 충전재로서 기능할 수 있고, 이는 커버 물질이 프레임 위에서 연신됨에 따라 형상을 갖고 조절되고 커버 아래에 넣어질 수 있다. 추가로, 나타낸 바와 같이, 다양한 경우, 본 명세서에서 제조된 재활용 가능한 발포체는 많은 이유로 당해 분야에 공지된 것들 및 이보다 유용하고, 전형적인 PU 및/또는 EVA 발포체가 어떠한 방식으로도 생분해성이 아니지만, 본 명세서에서 제조된 발포체의 구성요소는 생분해성이라는 사실은 중요하다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 개방 프레임 위에서 가구를 구성하는 방법이 제공된다.
추가로, 또 다른 측면에서, 본 개시내용은 일반적으로 신발 구성요소, 예를 들면, 신발의 밑창, 중창, 및/또는 안창, 예를 들면, 발포체, 예를 들면, 퇴비화 가능한 발포체를 포함하거나 그렇지 않으면 이로 구성된 신발 구성요소의 제조 공정에 관한 것이다. 구체적으로, 특정한 실시형태에서, 밑창, 중창, 안창, 및/또는 다른 신발 삽입물의 제조 방법이 제공된다. 예를 들면, 본 발명의 신발 삽입물은 신발, 예를 들면, 운동화 또는 스니커화 내에 삽입되거나 그렇지 않으면 장착되도록 개조된 쿠션재 장치의 형태일 수 있고, 이는 뛰거나 걷는 동안 표면, 예를 들면, 땅을 차는 발의 충격을 감소시키고, 이에 따라 발에 대한 충격을 흡수하고/하거나 약화시키도록 구성될 수 있다.
특히, 중창 및 삽입물을 포함하는 신발 밑창 구성요소는 하나 또는 다수의 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 경우, 베이스층, 발포체층, 및/또는 직물층이 제공될 수 있다. 구체적으로, 상대적으로 탄력 있는 물질의 베이스층, 및/또는 발포체층, 예를 들면, 베이스층 위에 배치된 것, 및/또는 발포체층 위에 배치된 직물층이 포함될 수 있다. 따라서, 방법은 베이스층, 발포체층, 및 직물을 삼중적층 시트로 통합적으로 형성하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 경우, 지지층은 적어도 뒤꿈치 영역에 배치될 수 있고, 이러한 지지층은 경질 물질, 예를 들면, 적층보다 더 높은 밀도의 물질로 구성될 수 있다. 접착제, 글루, 또는 다른 접착 메커니즘이 지지층의 삼중적층을 부착하고 형성하기 위하여 제공되고 사용될 수 있다.
더 특히, 다른 경우, 신발 구성요소, 예를 들면, 삽입물의 제조 방법은 발포체층을 제공하고/하거나 직물층을 제공하는 단계; 발포체층을 가열하는 단계; 발포체 및 직물층을 결합하는 단계; 베이스층, 예를 들면, 발포체층의 밀도와 동일하거나 더 크거나 더 작은 밀도를 갖는 베이스층을 제공하는 단계; 및 이중 또는 삼중적층을 형성하기 위하여 베이스층을 발포체층과 커플링시키기 위하여 베이스층 및 발포체층 중 적어도 하나를 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
방법은 미리 형성된 지지 부재, 예를 들면, 아치 지지체 및/또는 뒤꿈치 부재를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있고, 이러한 부재는 발포체층의 밀도와 실질적으로 동일하거나 더 작거나 더 큰 밀도를 가질 수 있다. 특정한 경우, 지지 부재는 발포체층의 것과 비교하여 더 큰 밀도, 및 따라서 더 큰 단단함을 수득하기 위하여 압축된 발포체 물질로 형성될 수 있다. 추가로, 열 및/또는 압력 반응성 접착제가 지지체 및/또는 뒤꿈치 부재와 적층 사이에 적용될 수 있다. 그 다음, 뒷 부분을 형성하는 미리 형성된 뒤꿈치 부재 및/또는 예를 들면, 이의 중간 및/또는 뒤꿈치 영역에서 마감된 신발 삽입물의 바닥 표면의 중간 부분을 형성하는 지지 부재, 및 이의 전방 영역에서 마감된 신발 삽입물의 바닥 표면을 형성하는 베이스층을 갖는 일체형 원피스 신발 삽입물을 형성하기 위하여, 지지 및/또는 뒤꿈치 부재에 삼중적층의 형성 및/또는 형상화를 유발하기 위하여 조성물에 성형 압력을 적용할 수 있다.
그러나, 지지 및/또는 뒤꿈치 부재는 포함될 필요가 없고, 일부 경우, 적층 구성요소 중 하나 이상을 제외되거나 다른 적층이 추가될 수 있다는 것을 주의한다. 특정한 실시형태에서, 발포체층은 베이스층보다 더 많은 가요성 및/또는 쿠션재, 예를 들면, 더 큰 도큐미터를 갖는 것일 수 있고, 이는 결국 지지 부재보다 더 많은 가요성 및/또는 쿠션재, 예를 들면, 더 큰 도큐미터를 갖는 것일 수 있다는 것을 추가로 주의한다. 따라서, 더 많은 가요성 발포체 및 베이스층은 상대적으로 탄력 있고 원하는 신발 크기 및 구성에 대한 형상에 순응할 수 있는 반면, 지지층(들)은 상대적으로 더 경질일 수 있다.
구체적으로, 발포체층 및/또는 하나 이상의 지지층은 본 명세서에 개시된 생분해성 및/또는 환경 친화적 발포체 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 지지층은 더 밀도 있는 발포체로 만들어질 수 있고, 따라서 지지층을 더 경질로 만든다. 따라서, 다양한 실시형태에서, 발포체층은 입방 피트당 약 2 또는 약 3 또는 약 5 내지 약 10 lbs 이상의 밀도, 예를 들면, 입방 피트당 약 4 내지 6 lbs 범위의 밀도를 가질 수 있다. 추가로, 발포체층은 약 1/8"의 두께, 예를 들면, 약 3/32" 내지 5/32"의 두께 범위를 가질 수 있다.
마찬가지로, 베이스층은 또한 입방 피트당 약 2 또는 약 3 또는 약 5 내지 약 10 lbs의 밀도, 예를 들면, 입방 피트당 약 4 내지 6 lbs 범위의 밀도를 가질 수 있다. 베이스층의 두께는 약 5/16" + 또는 - 10%일 수 있다. 그러나, 다양한 경우, 베이스층의 두께는 약 1/4" 이하 내지 약 7/16" 범위의 두께일 수 있다. 지지층과 관련하여, 이는 주로 삽입물의 아치 및/또는 뒤꿈치 영역에서 형성될 수 있고, 이는 또한 본 명세서에 개시된 생분해성 및/또는 퇴비화 가능한 발포체로 만들어질 수 있다.
그러나, 지지층은 입방 피트당 최종 밀도가 약 22 내지 23 lbs이 되도록 재활용 가능한 발포체(402)를 압축시킴으로써 만들어질 수 있다. 직물층은 임의의 적합한 물질, 예를 들면, 면, 폴리에스터, 또는 폴리프로필렌 니트로 구성될 수 있다. 다양한 경우, 물질 및 발포체층은 발포체층에 개방 화염을 사용하는 화염 적층 기술에 의해 함께 적층화될 수 있다. 개방 화염은 표면 상에 충분한 열을 생성하여 평평한 시트 발포체층의 용융을 유발한다. 용융되면, 직물층은 그 안에서 결합하고, 2개의 함께 샌드위치된 층은 냉간 롤러 사이에서 진행되고, 충분한 압력이 롤러 사이에 적용되어 2개의 층은 함께 결합한다.
공정에서 이 시점에서, 이들 층은 평평한 시트 형태를 유지한다. 그 다음, 이들 통합된 층들은, 또한 화염 적층화에 의해, 베이스층에 결합될 수 있다. 이전에 통합된 물질 및 발포체층은 지지층에 결합될 수 있고, 이들 다중적층된 층은 냉간 롤러 사이에서 진행될 수 있다. 공정의 이 단계에서, 이들 층은 여전히 평평한 시트 형태이다. 따라서, 그 다음, 이 시점에 적층된 층은 성형될 준비가 된 것이다. 이는 적층된 층을 약 250 F의 성형 온도에, 예를 들면, 약 1 내지 약 5분 또는 그 이상, 예를 들면, 약 225초의 기간 동안 가열함으로써 수행될 수 있다. 이는 이들이 금형으로 삽입되는 것을 허용할 정도로 충분히 이전에 적층된 층을 가열한다.
상기 언급된 바와 같이, SCF 물리적 발포제는 최종 제품의 원하는 특성에 따라 선택될 수 있다. 섭씨 31.1 및 72.2 bar에서 SCF 유체가 되는 이산화탄소는 섭씨 -147 및 34 bar에서 초임계 유체가 되는 질소보다 열가소성 중합체(502) 중에서 4 내지 5배 더 잘 용해된다. 미충전 생중합체 중의 포화점은 온도 및 압력 조건에 따라 질소의 약 1.5 내지 2 중량%이고, 이산화탄소의 포화 수준은 8 중량%에 가깝다. 이산화탄소는 또한 생중합체에서 더 큰 이동성을 나타내고, 이는 질소보다 기존의 기포로 추가로 이동하는 것을 허용한다. 셀 핵형성의 관점에서, 더 큰 용해도 및 이동성은 더 적은 셀이 핵형성될 것이고 핵형성된 것들이 더 커지는 경향이 있다는 것을 의미한다.
방법(600)이 운동용품, 예를 들면, 신발을 제조하는데 사용되는, 상기 논의된 실시형태에서, SCF(510)는 임계 상태의 질소를 포함한다. 질소는 SCF 이산화탄소보다 훨씬 낮은 중량 퍼센트에서 개선된 중량 감소 및 미세한 핵을 제공한다. SCF(510) 질소 수준은 비슷한 부품을 달성하는데 필요한 SCF 이산화탄소 수준보다 적어도 75% 낮다. 그렇게 하여, SCF 이산화탄소와 비교하여 크게 감소한 SCF 질소 수준 요건은 신발 구성요소를 만드는데 사용되는 바와 같은 본 개시내용의 생분해성이고 산업적으로 퇴비화 가능한 가요성 발포체의 대량 생산시 최적의 물질 절감 및 시간 절감을 보장한다.
이산화탄소는 더 무겁고, 이는 특정한 응용에서, 예를 들면, 점도 감소가 공정의 목표인 경우, 및/또는 최종 제품이 SCF 질소의 더 공격적인 발포 작용을 견딜 수 없는 경우, 또는 반가요성 발포체에서 적합한 발포제일 있다. 예를 들면, 방법(600)이 가구 및 자동차 제품을 제조하는데 사용되는 경우, 이산화탄소는 비록 더 큰 크기 및/또는 중량일지라도 훨씬 더 큰 셀 구조를 제조하기 때문에, SCF(510)는 임계 상태의 이산화탄소를 포함한다. 물리적 발포제에 의한 물리적 발포 공정 동안, 유리 전이의 하락이 나타난다.
상기 논의된 바와 같이, 초임계 상태의 이산화탄소는 부품을 제조하는데 필요한 질소의 양이 너무 낮아서 부품을 일관되게 가공하는 것이 불가능할 때 물리적 발포제로서 이용될 수 있다. 이산화탄소는 덜 공격적인 발포제이기 때문에, 몇몇 응용에서 이산화탄소의 낮은 수준을 운영하는 것이 더 쉽다. 예를 들면, 0.15 또는 0.2% 이산화탄소(0.05% 미만의 질소 수준과 비교하여)는 연질 물질 및 두꺼운 단면을 갖는 부품을 제조하는데 이용될 수 있다.
몇몇 실시형태가 상기 상세하게 기재되었지만, 다른 변형이 가능하다. 다른 실시형태가 하기 청구범위에 속할 수 있다.
Claims (20)
- 가요성 발포체의 제조 방법으로서:
하나 이상의 재활용 가능한 열가소성 중합체를 포함하는 열가소성 마스터배취로부터 용융된 중합체를 형성하는 단계;
용융된 중합체와 초임계 유체를 혼합하여 단일상 용액을 생성하는 단계;
단일상 용액을 성형 장치의 금형 캐비티 내로 도입하는 단계로서, 성형 장치는 성형 장치 내 압력을 감지하기 위한 적어도 하나의 압력 센서를 가지는 단계;
초임계 유체가 용액 밖으로 나오도록 함으로써 금형 캐비티 내에서 단일상 용액을 발포하고, 이에 의해 가요성 발포체를 형성하는 단계; 및
단일상 용액의 발포 동안 금형 캐비티를 역압 기체로 가압하는 단계로서, 여기서 금형 캐비티 내 역압 기체의 투입량 및 홀드 시간은 적어도 하나의 압력 센서로부터 데이터를 받는 컴퓨터 제어기에 의해 제어되는 단계. - 제 1항에 있어서, 하나 이상의 재활용 가능한 열가소성 중합체는 하나 이상의 폴리아마이드 또는 폴리아마이드 블록 공중합체를 포함하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 하나 이상의 폴리아마이드 또는 폴리아마이드 블록 공중합체는 폴리아마이드 6, 폴리아마이드 6/6, 폴리아마이드 12, 열가소성 폴리아마이드 (TPA), 폴리에테르-블록-아마이드 (PEBA), 또는 이의 조합 중 하나 이상을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 하나 이상의 재활용 가능한 열가소성 중합체 중 적어도 일부는 해중합된 소비 후 또는 산업 후 플라스틱로부터 유래되는 방법.
- 제 4항에 있어서, 해중합된 소비 후 또는 산업 후 플라스틱는 카프로락탐을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 하나 이상의 재활용 가능한 열가소성 중합체는 가요성 발포체의 제조 동안 가교결합하지 않는 방법.
- 제 1항에 있어서, 초임계 유체는 초임계 질소를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 초임계 유체는 초임계 이산화탄소를 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 초임계 유체는 약 150 바 내지 약 300 바의 범위 압력에서 도입되는 방법.
- 제 1항에 있어서, 금형 캐비티를 역압 기체로 가압하는 단계는 단일상 용액 발포 동안 가요성 발포체의 표면을 통해 발생하는 기포를 방지하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 금형 캐비티를 가압하는 단계는 금형 캐비티를 역압 기체로 약 5 바 내지 약 50 바 의 범위로 1 초 내지 25 초 동안 가압하는 것을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 단일상 용액을 성형 장치 의 금형 캐비티 내로 도입 하는 단계는 금형 캐비티의 표면을 단일상 용액과 접촉시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 12항에 있어서, 열적 사이클링 온 및 냉 열 사이클링을 제공하도록 구성된 동적 금형 온도 제어 시스템으로 금형 캐비티의 표면 온도를 제어하는 것을 추가로 포함하는 방법.
- 제 13항에 있어서, 동적 금형 온도 제어 시스템은 성형 장치에 결합된 하나 이상의 발열체 하나 이상의 및 냉각 채널을 포함하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 가요성 발포체는 약 2 lbs/ft3 내지 약 10 lbs/ft3 범위의 밀도를 가지는 방법.
- 제 1항에 있어서, 금형 캐비티는 가요성 발포체가 금형 캐비티 내에서 신발 구성요소의 형상으로 성형되는 방법.
- 제 16항에 있어서, 신발 구성요소는 신발 밑창, 신발 중창 또는 신발 안창 중 하나 이상으로부터 선택되는 방법.
- 제 1항에 있어서, 가요성 발포체는 가교결합된 열가소성 중합체를 포함하지 않는 방법.
- 제 18항에 있어서, 가요성 발포체는 열적 및/또는 화학적 해중합 공정을 사용하여 단량체로 해중합될 수 있는 열가소성 중합체를 포함하는 방법.
- 제 19항에 있어서, 단량체는 카프로락탐을 포함하는 방법.
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