PL191217B1 - Matryca tłocząca, zastosowanie matrycy tłoczącej i sposób wytwarzania matrycy tłoczącej - Google Patents

Abstract

1. Matryca tloczaca, zawierajaca polówki formy, majace wneki z powierzchniowa warstwa tlo- czaca produkt, zawierajaca warstwe podloza w postaci osnowy o strukturze otwartej utworzonej przez liczne wglebienia, piki i splaszczenia, na której znajduje sie powloka z materialu elastomero- wego, znamienna tym, ze powierzchniowa warstwa tloczaca ma kompozytowa powierzchnie tlocza- ca, utworzona glównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa. 12. Zastosowanie matrycy tloczacej, zawierajacej polówki formy majace wneki z powierzchniowa warstwa tloczaca produkt, zawierajaca warstwe podloza w postaci osnowy o strukturze otwartej utwo- rzonej przez liczne wglebienia, piki i splaszczenia, na której znajduje sie powloka z materialu elastome- rowego, przy czym powierzchniowa warstwa tloczaca ma kompozytowa powierzchnie tloczaca utwo- rzona glównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa, do tloczenia kostek mydla. 13. Sposób wytwarzania matrycy tloczacej, obejmujacy etapy formowania na wnekach poló- wek formy matrycy warstwy podloza w postaci osnowy o strukturze otwartej, zawierajacej liczne wglebienia, piki i splaszczenia, która nastepnie powleka sie materialem elastomerowym, znamienny tym, ze elastomer naklada sie na osnowe w takiej ilosci, aby nie przykrywal calej osnowy. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest matryca tłocząca, zastosowanie matrycy tłoczącej i sposób wytwarzania matrycy tłoczącej, zwłaszcza do wytłaczania mydła, traktowanego jako produkt stały zawierający mydło, detergent syntetyczny lub ich kombinację, która zawiera przynajmniej 20% produktu.

Matryce wytłaczające kostki mydła zawierają zwykle parę symetrycznie przeciwległych połówek formy, z których każda ma wnękę, przytrzymywanych razem dookoła produktu dla uformowania wytłoczonej kostki produktu. Krytyczną częścią procesu tłoczenia jest wyjmowanie wytłoczonej kostki z matrycy po rozdzieleniu połówek formy. Proponowano rozmaite sposoby ułatwiania wyjmowania produktu z matrycy, włącznie ze stosowaniem wyrzutników matrycowych, powlekaniem powierzchni tłoczących proszkiem z talku lub płynem uwalniającym, lub powlekaniem powierzchni tłoczących powłoką elastomerową.

Z opisu EP 285 722 jest znana matryca, której wnęki są pokryte kompozytową powłoką, tworzącą odporną na ścieranie powierzchnię uwalniającą, przy czym powłoka ta zawiera metalową osnowę, impregnowaną cienką warstwą silikonu.

Sposób powlekania matryc powłokami elastomerowymi okazał się być szczególnie skuteczny do ułatwiania wyjmowania wytłoczonych produktów z matrycy, jednakże sposobowi temu towarzyszą rozmaite problemy. Po pierwsze, elastomery stosowane w wytłaczarkach są w sposób ciągły wystawione na oddziaływanie naprężeń ścinających i deformację w wyniku akcji tłoczącej matryc. Prowadzi to do stosunkowo szybkiego uszkodzenia powłok elastomerowych. W przypadku ciągle pracujących tłoczników takie uszkodzenie może wystąpić nawet co każde trzy tygodnie, po których powłoki na matrycach wymagają wymiany, co powoduje konieczność wyłączenia maszyn na dłuższy okres czasu.

Następny problem związany z tego rodzaju powłokami polega na tym, że podczas stosowania niektóre elastomery mogą osiadać i obniżać niepoziome powierzchnie matrycy przed utwardzeniem, co powoduje, że powierzchniowa warstwa tłocząca jest nierówna i ma niejednolitą grubość. Tego rodzaju usterki powierzchni tłoczącej matrycy w ogólności przekładają się na usterki wytłoczonego produktu.

Następny problem związany z niektórymi elastomerami polega na tym, że wymagają one stosowania czynników wiążących dla uzyskania odpowiedniego przylegania do powierzchni warstwy osnowy pokrywającej wnęki połówek formy matrycy, które to czynniki wiążące ogólnie zawierają reaktywne chemikalia, sklasyfikowane jako wysoce niebezpieczne i lotne związki organiczne zawierające rozpuszczalniki nośnikowe. Nowoczesne uregulowania prawne dotyczące względów zdrowotnych, bezpieczeństwa i środowiskowych nakładają znacznie obostrzone warunki odnośnie kontroli przemysłowego stosowania takich materiałów.

Celem wynalazku jest opracowanie matryc tłoczących, których powierzchnia tłocząca pozwoli na pokonanie lub uniknięcie przynajmniej niektórych z powyższych problemów.

Matryca tłocząca, zawierająca połówki formy, mające wnęki z powierzchniową warstwą tłoczącą produkt, zawierającą warstwę podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej utworzonej przez liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, na której znajduje się powłoka z materiału elastomerowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchniowa warstwa tłocząca ma kompozytową powierzchnię tłoczącą, utworzoną głównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa.

Osnowa ma liczne punkty kontaktu z elastomerem i wystaje poprzez powłokę elastomeru w postaci wysepek.

Powłoka elastomeru przylega bezpośrednio do osnowy, bez udziału czynnika wiążącego lub podkładu powodującego przyleganie powłoki elastomeru do osnowy.

Osnowa zawiera materiał ceramiczny lub metalowy.

Materiał osnowy został nałożony za pomocą rozprowadzania plazmowego lub płomieniowego.

Materiał osnowy jest materiałem matrycy, poddanym obróbce za pomocą środka wybranego z grupy, na którą składa się laser, mikroobróbka mechaniczna, trawienie chemiczne, anodowanie, erozja iskrowa, obróbka plazmowa i obróbka wiązką jonów.

Powłoka elastomeru zawiera elastomer silikonowy lub fluorosilikonowy.

Powłoka elastomeru korzystnie stanowi elastomer zawierający węgiel.

Elastomer zawierający węgiel jest wybrany z grupy obejmującej elastomery o nienasyconych łańcuchach węglowych, elastomery o nasyconych łańcuchach węglowych i elastomery zawierające w łańcuchu węglowym węgiel, azot i tlen.

PL 191 217 B1

Elastomer korzystnie stanowi poliuretan, kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy lub uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy.

Przedmiotem wynalazku jest również zastosowanie matrycy tłoczącej, zawierającej połówki formy mające wnęki z powierzchniową warstwą tłoczącą produkt, zawierającą warstwę podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej utworzonej przez liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, na której znajduje się powłoka z materiału elastomerowego, przy czym powierzchniowa warstwa tłocząca ma kompozytową powierzchnię tłoczącą utworzoną głównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa, do tłoczenia kostek mydła.

Sposób wytwarzania matrycy tłoczącej, obejmujący etapy formowania na wnękach połówek formy matrycy warstwy podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej, zawierającej liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, którą następnie powleka się materiałem elastomerowym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elastomer nakłada się na osnowę w takiej ilości, aby nie przykrywał całej osnowy.

Stosowane w opisie określenie „struktura otwarta w odniesieniu do osnowy matrycy ma oznaczać, że powierzchnia osnowy takiej matrycy jest niejednorodna i w widoku w przekroju zawiera wiele wgłębień, pików i spłaszczeń. Typowo odległość piku do obniżenia może mieścić się w zakresie 50-200 mm mikronów lub 70-150 mm. Po nałożeniu na taką powierzchnię osnowy matrycy, elastomer wypełnia wgłębienia i staje się silnie związany z osnową, w wyniku wzajemnego blokowania wiązania, bez stosowania jakiegokolwiek innego czynnika wiążącego. Ponadto, kompozycje elastomerowe o małej lepkości, po nałożeniu na taką otwartą strukturę osnowy matrycy, są przytrzymywane przez matrycę aż zostaną utwardzone, przez co jest mniejsze prawdopodobieństwo wymycia lub opadnięcia elastomerów.

Określenie „elastomer i specyficzne przykłady odpowiednich elastomerów są sprecyzowane w europejskim zgłoszeniu patentowym nr EP 0766730, którego zawartość jest tu wprowadzona jako odniesienie. W zalecanym aspekcie wynalazku, elastomer zawiera silikon lub elastomer fluorosilikonowy.

Odpowiednie elastomery do stosowania w matrycach według wynalazku zwykle mają stosunkowo niski poziom tłumienia i mały moduł. Według następnego aspektu, elastomery mogą zwykle zawierać węgiel, i stąd mogą stanowić klasy „R, „M lub „U według klasyfikacji Amerykańskiego Towarzystwa do Testowania i Materiałów D1418. Klasy te obejmują elastomery o łańcuchach nienasyconego węgla, elastomery o wysyconych łańcuchach węglowych, i elastomery zawierające węgiel, azot i tlen w łańcuchu polimerowym. Tego rodzaju elastomery okazały się być stosunkowo łatwe do odnowienia na matrycach, na przykład przez całkowite wypalanie pozostałości starej powłoki elastomerowej.

Odpowiednie elastomery zawierające węgiel obejmują poliuretan, kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy, i uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy, a zwłaszcza uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy. Przykłady tego ostatniego obejmują Therban (firmy Bayer) i Zetpol (firmy Zeon).

Wynalazek dotyczy również sposobu wytwarzania matrycy tłoczącej, który to sposób obejmuje etapy przygotowania na powierzchni matrycy powierzchni osnowy o strukturze otwartej i nakładania powłoki elastomerowej na tę osnowę, po czym korzystnie następuje proces utwardzania elastomeru.

Otrzymana hybrydowa powłoka zawiera kieszenie osnowy, wystające przez elastomerową powłokę.

Tłoczony produkt korzystnie stanowi kompozycję detergentu taką jak przykładowo mydło, jednakże matryca według wynalazku nadaje się do tłoczenia rozmaitych odmiennych produktów, takich jak przykładowo tabletki i produkty żywnościowe.

Powłoki i powierzchnie tłoczące produkt matrycy według wynalazku nadają znakomitą wytrzymałość wiązania pośredniego metal-elastomer. W wielu przypadkach wytrzymałość wiązania pozwala na uniknięcie potrzeby stosowania oddzielnych czynników wiążących. Ponadto, osnowa matrycy według wynalazku tworzy powierzchnię podporową o licznych punktach kontaktu dla aplikatora elastomeru, tak że elastomer może być wepchnięty głęboko do osnowy, zwilżając teksturę i powodując znakomite wzajemne mechaniczne zblokowanie i przyleganie elastomeru do podłoża. Powłoka ma jednolitą i optymalną grubość, kontrolowaną przez maksymalną wysokość piku tekstury osnowy.

W przypadku matryc według wynalazku, funkcjonalna powłoka elastomerowa jest chroniona przed przypadkowym uszkodzeniem przez kieszenie twardej osnowy, które wystają przez powłokę elastomerową. Tak więc, można uzyskać polepszoną odporność na zniszczenie fizyczne nawet w przypadku stosowania stosunkowo miękkich i kruchych elastomerów, a ponadto jest zminimalizo4

PL 191 217 B1 wane naprężenie ścinające występujące w elastomerach w miejscach kluczowych na powierzchni matrycy, ponieważ strefy elastomeru są ograniczone przez wysepki osnowy i są chronione przed współdziałaniem przy tworzeniu masowych odkształceń ścinających i przed procesami zużycia. Daje to możliwość stosowania bardziej solidnego wyposażenia fabrycznego i pozwala na znaczne wydłużenie czasu użytkowania matrycy. Tak więc, można uzyskać polepszoną odporność na zniszczenie fizyczne nawet w przypadku stosowania stosunkowo miękkich i kruchych elastomerów.

Precyzyjna kontrola chropowatości osnowy umożliwia nadawanie kompozytowej finalnej topografii powierzchni tłoczącej matrycy według wynalazku, która umożliwia redukowanie tarcia produktu względem powierzchni elastomerowej i redukowanie występowania nieprzewidzianych znaków powierzchniowych na mydlanej kostce. Ponadto, kostka mydlana może mieć nałożoną zalecaną teksturę powierzchniową poprzez kontrolowanie tekstury hybrydowej powierzchni tłoczącej matrycy.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony na podstawie poniższego opisu niektórych jego rozwiązań, podanych jedynie przykładowo.

1. Wytwarzanie matryc hybrydowych

Matryca hybrydowa składa się z metalowej matrycy do tłoczenia mydła, twardej, odpornej na zużycie otwartej osnowy i wierzchniej powłoki elastomerowej. Przykładowa metalowa matryca domydła jest obrabiana z aluminium, a następnie jest na nią nakładana dostępna przemysłowo hybrydowa powłoka, np. PlasmaCoat 1915/11, z Impreglon UK Ltd., zawierająca warstwę osnowy z węglika wolframu i elastomer silikonowy.

Inny sposób wytwarzania polega na nakładaniu twardej, odpornej na zużycie osnowy z proszku nikiel/aluminium o strukturze otwartej na kształtowaną powierzchnię matrycy poprzez technikę rozprowadzania cieplnego, a następnie na taką osnowę jest nakładany wybrany elastomer, silikonowy Silastic 9050/50 z Dow Corning), przygotowany jak zalecono przez producenta, powlekany na kształtowanej powierzchni warstwy osnowy na wnęce matrycy za pomocą czystego, miękkiego pędzla, na grubość powłoki pozwalającą na pokrycie tekstury niklu/aluminium. Matryca powleczona elastomerem jest umieszczana w piecu w temperaturze 160°C przez 2 godziny dla utwardzenia elastomeru.

2. Opis stosowania hybrydowych matryc do tłoczenia kostek mydła

Ta część opisu ilustruje uzyskiwanie znacząco korzystnej redukcji przylegania pomiędzy tłoczonymi produktami i powierzchniami tłoczącymi w wyniku stosowania hybrydowych powłok matryc według wynalazku.

Przeprowadzano pomiary laboratoryjne z zastosowaniem aluminiowych stempli, których powierzchnia końcowa została powleczona rozprowadzanym płomieniowo proszkiem Ni/Al., w zakresie wąskich rozkładów wielkości cząstek pomiędzy 38 i 280 mm, na którą następnie nałożono elastomer przez natryskiwanie z roztworu rozpuszczalnika. Przed utwardzeniem elastomeru, nałożono dodatkowe warstwy (1, 2 i 3) elastomeru dla uzyskania żądanego zakresu finalnej grubości powłoki (nie podanego ilościowo). Finalna chropowatość powierzchni takiej hybrydowej powłoki wynosiła od 1-15 mmRa i stwierdzono, że jest ona zależna zarówno od wielkości cząsteczek metalu jak i od grubości powłoki elastomeru. Każdy stempel był przeznaczony do mieszanki mydlanej, wstępnie ogrzanej do 40°C. Głębokość wgniecenia wynosiła 3 mm i podczas wgniatania stempel obracano z prędkością 12 obr./min, następnie stempel wyciągano z mydła i mierzono siłę potrzebną do rozdzielenia stempla i mydła. Rozwijane siły przylegania były w zakresie 10-45 N dla wszystkich powleczonych stempli, lub 10-25 N dla grupy stempli, z której wykluczono stemple powleczone pojedynczą warstwą elastomeru. Wszystkie powleczone elastomerem stemple wykazywały znacząco zredukowaną siłę przylegania w porównaniu z nie powleczonymi stemplami kontrolnymi ze stali nierdzewnej (100 N).

3. Korzyści wynikające ze stosowania matryc hybrydowych w stosunku do konwencjonalnych matryc powleczonych elastomerem

3.1. Wiązanie elastomer-metal bez podkładu chemicznego

Badania wykazały, że mechaniczne wbudowanie elastomeru w hybrydową powłokę podstawową może zapewnić znakomitą wytrzymałość wiązania pośredniego metal-elastomer, przez co nie ma już potrzeby stosowania chemicznego czynnika wiążącego lub podkładu, jak to jest wymagane w przypadku konwencjonalnego wiązania metal-elastomer. Tym samym można uniknąć stosowania szkodliwych środków chemicznych często zawartych w reaktywnych podkładach. Podkłady chemiczne są istotne dla uzyskiwania wystarczającego przylegania pomiędzy kilkoma materiałami matrycy, np. elastomeru silikonowego i mosiądzu.

W wielu innych zastosowaniach wiążących kauczuk-metal można uzyskać znaczący dodatkowy wzrost przylegania międzypowierzchniowego przez zastosowanie chemicznych czynników wiążących.

PL 191 217 B1

Mogą one być uznane za korzystne do stosowania dla szczególnych kombinacji hybrydowych osnowy-elastomeru, pod względem zwiększenia międzypowierzchniowego przylegania lub trwałości długoterminowej i stabilizacji powierzchni pośredniej względem korozji. W tym przypadku hybrydowa tekstura nadaje osnowie znacznie zwiększoną i splecioną powierzchnię pośrednią, która musi być przerwana mechanicznie lub potraktowana środkiem chemicznym zanim nastąpi jakiekolwiek uszkodzenie międzypowierzchniowe.

Te cechy, a mianowicie (a) uzyskiwanie wystarczającej wytrzymałości międzypowierzchniowej bez podkładu wiążącego i (b) wzbogacenie hybrydowego podłoża podkładem, przedstawiono przykładowo przez zastosowanie dwóch elastomerów silikonowych o rozmaitej wytrzymałości rozdzielczej (Silastic 9050/50 i Silastic 9280/50), z wykorzystaniem testu zrywania 180° (BS 3712, część 4, 1991), polegającego na tym, że laminat utworzony przez drobną drucianą siatkę ze stali nierdzewnej osadzoną w elastomerze, jest odrywany od sztywnego substratu metalowego. Z wytrzymałości na zrywanie (P, siła zrywania na jednostkę szerokości (w)) jest obliczana energia pękania (G) z zastosowaniem równania G=2 P/w.

Metalowe substraty stanowiły (i) mosiądz odmuchany kuleczkami szklanymi, (ii) mosiądz jak powyżej, pokryty podkładem S2260 (oznaczenie konwencjonalnych powleczonych elastomerem matryc metalowych), brak podkładu powodował prawie zerową energię pękania i brak użytecznej wytrzymałości wiązania, (iii) aluminium, na którym rozprowadzano płomieniowo proszek Ni/Al i (iv) aluminium, na którym rozprowadzano płomieniowo proszek Ni/Al, a następnie nałożono pokład S2260. Podkład i elastomery dostarczono i stosowano jak zalecano przez Dow Corning.

	Średnia energia pękania (KJ/m2) i rodzaj uszkodzenia (spójne lub międzypowierzchniowe)
Elastomer	Silastic 9050/50	Silastic 9280/50
Mosiądz odmuchiwany szklanymi kulkami bez podkładu	~0,6/międzypowierzchn.	~0,8/ międzypowierzchn.
Mosiądz odmuchiwany szklanymi kulkami i podkład S2260	2,3/spójne	4,0/ międzypowierzchn.
Hybrydowe podłoże (natryskiwany płomieniowo proszek Ni/Al. na aluminium)	2,3/spójne	3,5/ międzypowierzchn.
Hybrydowe podłoże (natryskiwany płomieniowo proszek Ni/Al. na aluminium) i podkład S2260	2,2/spójne	4,6/ międzypowierzchn.

Przy słabszym elastomerze (9050/50), z pominięciem substratu (i), pozostałe trzy substraty powodowały uszkodzenie spójności elastomeru, to jest międzypowierzchniowa energia pękania przekraczała energię pękania elastomeru (2,3 KJ/m²). Tym samym wykazano, że wytrzymałość wiązania międzypowierzchniowego zapewniana przez hybrydowe podłoże jest odpowiednia nawet bez podkładu. Ponieważ uszkodzenie było spójne dla wszystkich trzech substratów, zatem nie uzyskano żadnej dodatkowej informacji po dodaniu podkładu do hybrydowego podłoża. Przy silniejszym elastomerze (9280/50), dla wszystkich substratów wystąpiło międzypowierzchniowe uszkodzenie pomiędzy podłożem i elastomerem, co oznacza że wytrzymałość powierzchni pośredniej była mniejsza niż wewnętrzna wytrzymałość elastomeru. Można z tego wysnuć wniosek, że wytrzymałość wiązania międzypowierzchniowego uzyskiwana przez samodzielne (bez podkładu wiążącego) podłoże hybrydowe (3,5 KJ/m²) była podobna do wytrzymałości odmuchanego kuleczkami mosiądzu z podkładem (4,9 KJ/m²), zaś w przypadku zastosowania podkładu z hybrydowym podłożem, energia pękania wzrastała (4,6 KJ/m²).

3.2 Łatwość nakładania elastomeru

3.2.1 Przytrzymanie elastomeru o małej lepkości przez teksturowaną hybrydową powierzchnię tłoczącą.

Substrat powleczono powłoką elastomerową o małej lepkości za pomocą pędzla, przez zanurzenie lub natryśnięcie na osnowę, i elastomer przytrzymano poprzez teksturę osnowy aż do utwardzenia. Ze względu na mniejsze prawdopodobieństwo wymycia elastomerem z niepoziomych powierzchni uzyskano bardziej jednolitą grubość elastomeru. Pozwala to na uniknięcie osadzeń lub spłynięć powłoki w matrycach o cienkich powłokach elastomerowych, jak może się zdarzyć w przypadku powłok opisanych w opublikowanym zgłoszeniu europejskim Nr EP 0 766 730.

PL 191 217 B1

Przykład tego efektu pokazano w przypadku powleczenia powierzchni panelu z mosiądzu i z aluminium powleczonego natryskiwanym płomieniowo Ni/Al, elastomerem o małej lepkości (Silastic 9050/50), które następnie przetrzymano pod kątem 90° (pionowo), przez czas przetrzymania 15 minut w temperaturze pokojowej, a następnie przy zalecanym utwardzeniu przez 2 godziny w 160°C. Nałożona powłoka była cienka (około 100 mm). Nie zastosowano żadnej kontroli dla otrzymania tej samej grubości powłoki na panelach.

Zmierzono grubość powłoki w szeregu miejsc od wierzchu każdego panelu z zastosowaniem profilometrii laserowej poprzez granicę utworzoną przez folię ze złota osadzonego w postaci oparów na grubość kilku nanometrów na jednej połówce powierzchni elastomerowej. Wiązka światła z lasera odbija się od złota ale przechodzi przez przezroczysty elastomer i odbija się od osnowy, przez co występuje uskok przy krawędzi warstwy złota, który umożliwia obliczenie grubości powłoki.

Na figurze 1 przedstawiono rezultaty spływania powłoki uzyskane dla płyty z mosiądzu i płyty z powłoką hybrydową. Otrzymane wyniki ilustrują, że w przypadku płyty mosiężnej z cienką powłoką, przytrzymanej po powleczeniu pionowo przez 15 minut w temperaturze pokojowej i przez następne 2 godziny podczas utwardzania w temperaturze podwyższonej występowało spływanie powłoki, natomiast na płytach hybrydowych nie stwierdzono żadnego spływania powłoki, zaś grubość powłoki była rzędu 100 ± 20 mm.

Tak więc stwierdzono, że dla cienkich powłok, powierzchnia hybrydowa powoduje redukcję płynięcia powłok elastomerowych o małej lepkości po ustawieniu powierzchni pod kątem.

3.2.2 Powlekanie teksturowanej powierzchni hybrydowej elastomerem o dużej lepkości

Elastomery o dużej lepkości lub o konsystencji pasto-podobnej przed utwardzeniem są trudne do nakładania bezpośrednio jako cienka, równomierna, pozbawiona skaz powłoka. Mogą one być nakładane z rozpuszczalnika organicznego, jednakże wymaga to stosowania szkodliwych rozpuszczalników organicznych i występuje potencjalne upośledzenie finalnych własności mechanicznych elastomeru. Rozprowadzanie elastomeru aplikatorem bezpośrednio na metalową matrycę powoduje nierównomierną grubość powłoki. Jednakże osnowa podłoża hybrydowego tworzy powierzchnię podporową o licznych punktach kontaktu dla aplikatora, przez co pasta może być wepchnięta głęboko w osnowę. Z zachowaniem warunków ostrożności i fachowości, można uzyskać skuteczną równomierną powierzchnię tłoczącą kontaktującą się z mydłem. Nałożona na hybrydową powierzchnię tłoczącą powłoka ma jednolitą i optymalną grubość, kontrolowaną przez maksymalną wysokość pików tekstury osnowy. Tekstura warstwy osnowy jest całkowicie zwilżona nie utwardzonym elastomerem, co powoduje znakomite zblokowanie mechaniczne i przyleganie elastomeru do podłoża.

Dla uwidocznienia tej korzyści, zmierzono międzypowierzchniowe energie pękania z zastosowaniem testu zrywania 180° opisanego powyżej i z wykorzystaniem elastomeru Silastic 9280/50 na hybrydowym podłożu Ni/Al. Na matrycę z teksturowaną osnową nałożono cienką warstwę elastomeru, wystarczającą do powleczenia matrycy, za pomocą aplikatora miękkiego tworzywa sztucznego jak opisano powyżej, a następnie przeprowadzono test zrywania laminatu dla elastomeru nieutwardzonego i utwardzonego przy 160°C przez 2 godz. Energia pękania takiego zespołu wyniosła 3,6 KJ/m², a charakter pękania był międzypowierzchniowy. Dla porównania, gdy początkowa warstwa elastomeru była nałożona z rozcieńczonego roztworu w rozpuszczalniku organicznym, takim jak toluen, wówczas uzyskano bardzo podobną międzypowierzchniową energię pękania wynoszącą 3,5 KJ/m². Można zatem stwierdzić, że niezależnie od sposobu nakładania elastomeru uzyskuje się jednakowo wysoką wytrzymałość wiązania międzypowierzchniowego, jednakże w przypadku bezpośredniego nakładania unika się zagrożeń lub problemów wynikających ze stosowania rozpuszczalnika.

3.3 Wydłużony czas użytkowania

Funkcjonalna powłoka elastomerowa matrycy według wynalazku jest chroniona przed przypadkowym uszkodzeniem przez twardą osnowę, wystającą poprzez powłokę. Zwiększona odporność na uszkodzenie fizyczne takiej powłoki występuje nawet w przypadku stosowania stosunkowo miękkich i kruchych elastomerów. Naprężenie ścinające, występujące w elastomerze w miejscach blokowania na powierzchni matrycy jest zminimalizowane, ponieważ strefy elastomeru są ograniczone przez wysepki osnowy i są chronione przed współdziałaniem w masowych odkształceniach ścinających elastomeru i przed zużyciem. Korzyści te przyczyniają się do możliwości stosowania bardziej solidnego wyposażenia fabrycznego i pozwalają na znaczne wydłużenie czasu użytkowania hybrydowej matrycy według wynalazku, jak pokazano w następującym przykładzie.

Powierzchnia tłocząca mosiężnego stempla została powleczona rozprowadzaną płomieniowo warstwą węglika wolframu, a następnie została powleczona elastomerem (silikon Silastic 9050/50

PL 191 217 B1 z Dow Corning) dla utworzenia matrycy według wynalazku z powłoką hybrydową. Drugi mosiężny stempel pokryto jedynie podkładem S2260 z Dow Corning, i powleczono tym samym elastomerem. Tego rodzaju stemple zamontowano kolejno na maszynie zaprojektowanej do przyspieszania zużycia powodowanego przez tłoczenie kostek mydła. Badanie to w praktyce symulowało czas użytkowania matrycy w fabryce. Stempel zagłębiano powtarzalnie w mydle, które było powolnie wytłaczane przez otwór. Naciski wywierane na stempel były zaprojektowane tak, aby były dopasowane do nacisków występujących podczas tłoczenia. Badanie kontynuowano tak długo, aż mydło zaczęło przylegać do powierzchni stempla. Zarejestrowano liczbę cykli wgnieceń, wykonanych aż do wystąpienia tego przylegania. Następnie stempel oczyszczono etanolem i wymieniono na drugi testowany stempel. Proces powtórzono aż mydło ponownie przylgnęło do powierzchni stempla. Wyniki zostały zapisane jako pierwsze i drugie wartości przyklejania. Przyklejanie mydła jest powodowane przez mikrouszkodzenie powierzchni elastomeru i jest wskaźnikiem początku zużycia.

Powleczony elastomerem konwencjonalny stempel przyklejał się po pierwszych 70,000 a następnie po drugich 72,000 cyklach, zaś powleczony hybrydowo stempel według wynalazku kontynuował pracę aż do pierwszych 100,000 a następnie drugich 100,000 cykli. Tak więc, hybrydowa powłoka matrycy według wynalazku wykazuje się wydłużeniem czasu użytkowania o około 40%.

3.4 Topografia, tarcie i tekstura

Przez precyzyjne kontrolowanie chropowatości warstwy osnowy jest możliwe uzyskanie kompozytowej topografii powierzchni finalnej powleczonej hybrydowo matrycy. Może to współdziałać w redukowaniu tarcia przy elastomerowej powierzchni i redukować przypadki występowania nieprzewidzianych znaków powierzchniowych na kostce mydlanej. Dodatkowo na kostkę mydlaną można nałożyć zalecaną teksturę powierzchniową przez kontrolę tekstury matrycy powleczonej hybrydowo.

3.4.1 Tarcie

W podobny sposób powleczono płaskie arkusze aluminium, rozprowadzonym płomieniowo metalem, a następnie elastomerem, po czym zmierzono siłę tarcia rozwijanego przy ześlizgu kawałka mydła przez powierzchnię tych arkuszy w zakresie prędkości ześlizgu (7-30 mm/s), pod normalnym obciążeniem. Współczynnik tarcia obliczono na podstawie poziomu stosunku siła tarcia/siła prostopadła. Analogiczne pomiary wykonano również dla arkuszy, na których zastosowano warstwę silikonową o grubości 3 mm, która może być traktowana jako elastomer masowy. Gruby elastomer miał bardzo wysoki współczynnik tarcia względem mydła (1,9-2,4), co było spowodowane przez odkształcenie masowe elastomeru. Badanie to wykazało, że przez ograniczenie ilości elastomeru w osnowie, w matrycy według wynalazku jest znacząco zredukowane tarcie (0,4-0,8).

3.4.2 Tekstura

Zmierzono chropowatość powierzchni hybrydowo powleczonych stempli i chropowatość powierzchni wytłoczonego za ich pomocą mydła, z zastosowaniem bezkontaktowego profilometru laserowego. Stwierdzono, że istnieje duża i bezpośrednia relacja (~1:1) pomiędzy chropowatością powierzchni stempla a otrzymywaną w rezultacie chropowatością powierzchni wytłoczonego mydła, obydwie mierzone w Ra (mm).

Claims (13)

1. Matryca tłocząca, zawierająca połówki formy, mające wnęki z powierzchniową warstwą tłoczącą produkt, zawierającą warstwę podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej utworzonej przez liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, na której znajduje się powłoka z materiału elastomerowego, znamienna tym, że powierzchniowa warstwa tłocząca ma kompozytową powierzchnię tłoczącą, utworzoną głównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa.

2. Matryca tłocząca według zastrz. 1, znamienna tym, że osnowa ma liczne punkty kontaktu z elastomerem.

3. Matryca tłocząca według zastrz. 1, znamienna tym, że osnowa wystaje poprzez powłokę elastomeru w postaci wysepek.

4. Matryca tłocząca według zastrz. 1albo 2, albo 3, znamienna tym, że powłoka elastomeru przylega bezpośrednio do osnowy, bez udziału czynnika wiążącego lub podkładu powodującego przyleganie powłoki elastomeru do osnowy.

5. Matryca tłocząca według zastrz. 1albo 2, albo 3, znamienna tym, że osnowa zawiera materiał ceramiczny lub metalowy.

PL 191 217 B1

6. Matryca tłocząca według zastrz. 5, znamienna tym, że materiał osnowy został nałożony za pomocą rozprowadzania plazmowego lub płomieniowego.

7. Matryca tłocząca według zastrz. 5, znamienna tym, że materiał osnowy jest materiałem matrycy, poddanym obróbce za pomocą środka wybranego z grupy, na którą składa się laser, mikroobróbka mechaniczna, trawienie chemiczne, anodowanie, erozja iskrowa, obróbka plazmowa i obróbka wiązką jonów.

8. Matryca tłocząca według zastrz. 1, znamienna tym, że powłoka elastomeru zawiera elastomer silikonowy lub fluorosilikonowy.

9. Matryca tłocząca według zastrz. 1, znamienna tym, że powłoka elastomeru stanowi elastomer zawierający węgiel.

10. Matryca tłocząca według zastrz. 9, znamienna tym, że elastomer zawierający węgiel jest wybrany z grupy obejmującej elastomery o nienasyconych łańcuchach węglowych, elastomery o nasyconych łańcuchach węglowych i elastomery zawierające w łańcuchu węglowym węgiel, azot i tlen.

11. Matryca tłocząca według zastrz. 10, znamienna tym, że elastomer stanowi poliuretan, kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy lub uwodorniony kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy.

12. Zastosowanie matrycy tłoczącej, zawierającej połówki formy mające wnęki z powierzchniową warstwą tłoczącą produkt, zawierającą warstwę podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej utworzonej przez liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, na której znajduje się powłoka z materiału elastomerowego, przy czym powierzchniowa warstwa tłocząca ma kompozytową powierzchnię tłoczącą utworzoną głównie przez elastomer, poprzez który wystaje osnowa, do tłoczenia kostek mydła.

13. Sposób wytwarzania matrycy tłoczącej, obejmujący etapy formowania na wnękach połówek formy matrycy warstwy podłoża w postaci osnowy o strukturze otwartej, zawierającej liczne wgłębienia, piki i spłaszczenia, którą następnie powleka się materiałem elastomerowym, znamienny tym, że elastomer nakłada się na osnowę w takiej ilości, aby nie przykrywał całej osnowy.