PL204201B1

PL204201B1 - Sposób wytwarzania termoplastycznego arkusza piankowego

Info

Publication number: PL204201B1
Application number: PL356473A
Authority: PL
Inventors: Gary C. Welsh; Roldolfo J. Salmang; Michael M. Ballot
Original assignee: Dow Global Technologies
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2009-12-31
Also published as: TW593468B; BR0108296A; ES2639170T3; ATE339467T1; AU774881B2; JP4787941B2; WO2001057120A2; DE60123026T2; HK1052518A1; AU2790501A; MY130472A; CO5210875A1; EP1268624B1; CN1396940A; CA2399438A1; US20020006975A1; CN1187399C; KR20020087048A; MXPA02007500A; AR027361A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania termoplastycznego arkusza piankowego.

W zastosowaniach zwią zanych z pakowaniem artyku ł ów spoż ywczych wykorzystywane są polimery styrenowe i olefinowe, na przykład niespieniony, formowalny termicznie arkusz, wykorzystywany w pojemnikach na produkty mleczarskie. Ten rodzaj formowalnego termicznie arkusza wytwarzany jest zwykle przy wykorzystaniu konwencjonalnej linii do wytłaczania arkuszy, gdzie polimer wytłaczany jest z matrycy płasko-arkuszowej na trzybębnowy stos polerujący i albo jest nawijany albo doprowadzany bezpośrednio do termoformowania. Jednakże względy ekologiczne skłaniają przemysł opakowaniowy do wytwarzania lżejszych materiałów opakowaniowych, ze względu na opłaty związane z masą opakowania, które nakładane są na wytwórców zapakowanych artykułów spożywczych.

Jednym ze sposobów zmniejszenia ciężaru formowalnego termiczne arkusza jest zastosowanie środka porotwórczego, w celu wytworzenia spienionego arkusza o wysokiej gęstości. Spieniony arkusz tego rodzaju wytwarzany jest zwykle przy użyciu konwencjonalnej linii do wytłaczania arkuszy oraz chemicznego środka porotwórczego. Jednakże chemiczne środki porotwórcze są kosztowne i nie dają jednorodnego lub równomiernego spieniania, co powoduje wahania gruboś ci i gę stoś ci w obrę bie wytworzonego spienionego arkusza.

Z tego wzglę du, istnieje zapotrzebowanie na opracowanie sposobu wytwarzania termoplastycznego arkusza piankowego o równomiernej grubości i gęstości, który może być stosowany w tradycyjnych, bezpianowych zastosowaniach, takich jak pojemniki na produkty mleczarskie.

Sposób wytwarzania termoplastycznego arkusza piankowego według wynalazku charakteryzuje się tym, że doprowadza się aromatyczną żywicę polimerową z jednostkami monomeru o wzorze

R'

Ar “ C = CH₂ gdzie R' oznacza wodór lub metyl, Ar oznacza pierścieniowy układ aromatyczny mający od 1 do 3 pierścieni aromatycznych z lub bez podstawnika alkilowego, halogenowego lub haloalkilowego, gdzie każda grupa alkilowa zawiera od 1 do 6 atomów węgla, a haloalkil odnosi się do grupy alkilowej z podstawionym fluorowcem albo olefinową żywicę polimerową taką jak polietylen, polipropylen, liniowy polietylen o niskiej gęstości, polietylen o wysokiej gęstości, kopolimery olefinowe takie jak kopolimery etylen-oktylen, do wytłaczarki linii wytłaczania arkusza, następnie topi się żywicę, pompuje się środek porotwórczy do stopionej żywicy polimerowej, po czym miesza się środek porotwórczy ze stopioną żywicą polimerową dla utworzenia mieszaniny polimer/środek porotwórczy w temperaturze, co najmniej 150°C, korzystnie między 170°C a 300°C, wytłacza się mieszaninę z dyszy płaskiego arkusza do obszaru niższego ciśnienia, formując spieniony wyrób wytłaczany i końcowo wyciąga się i ściska spieniony wyrób wytłaczany formując piankowy arkusz o równomiernej grubości, która różni się w dowolnym punkcie od średniej grubości arkusza o mniej niż 6% i wynosi, co najmniej 0,1 mm ale mniej niż 3 mm.

Korzystnie, w sposobie stosuje się stopiony aromatyczny polimer monowinylowy.

Stosuje się stopiony aromatyczny polimer monowinylowy zawierający aromatyczny polimer winylowy.

Stosuje się stopiony polimer olefinowy.

Korzystnie, stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polietylen, polipropylen, liniowy polietylen o niskiej gęstości, polietylen o niskiej gęstości, polietylen o wysokiej gęstości, kopolimer etylenu-oktylenu lub olefinowy kopolimer lub interpolimer, posiadający przynajmniej 70% wagowych aromatycznego monomeru winylowego, włączonego do żywicy finalnej w postaci powtarzalnych jednostek monomerowych.

Stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polipropylen.

Stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polietylen.

W sposobie według wynalazku jako fizyczny środek porotwórczy stosuje się dwutlenek węgla, azot, wodę lub ich kombinację.

Wytwarza się arkusz piankowy o gęstości piany wynoszącej od 400 do 1050 g/l.

Korzystnie, wytwarza się arkusz piankowy o gęstości piany wynoszącej od 725 do 890 g/l.

PL 204 201 B1

Sposób według wynalazku nadaje się szczególnie do wytwarzania spienionych materiałów opakowaniowych o wysokiej gęstości, które mogą być wykorzystywane w tradycyjnych, bezpianowych, termoformowanych zastosowaniach, takich jak pojemniki na produkty mleczarskie.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie jeden z przykładów wykonania linii do wytłaczania arkuszy, sposobem według wynalazku.

Żywica i ewentualny środek nukleujący II doprowadzane są do wytłaczarki I, posiadającej głowicę mieszającą III, statyczne mieszadła IX, pompę zębatą VIII oraz matrycę X, w której poprzez zawór wtryskowy VII ze zbiornika VI, połączonego z pompą wyporową JV, posiadającą urządzenie zwalniające V wtryskiwany jest środek porotwórczy. Spieniony arkusz jest wciągany i prasowany wewnątrz trój bębnowego stosu polerującego XI oraz zwijany do postaci beli spienionego arkusza XII.

Do termoplastycznych polimerów użytecznych w tym wynalazku należą poliolefiny, na przykład polietylen, polipropylen, liniowy polietylen o niskiej gęstości, polietylen o niskiej gęstości, polietylen o wysokiej gęstości, kopolimery olefinowe, takie jak kopolimery etylenu-oktylenu, polimery, kopolimery i interpolimery posiadające przynajmniej 70% wagowych aromatycznego monomeru winylowego, włączonego do żywicy finalnej w charakterze powtarzalnych jednostek monomerowych. Do aromatycznych monomerów winylowych należą monomery ujawnione w opisach patentowych US 4 666 987 oraz US 4 585 825, ale nie są one do nich ograniczone. Jest to korzystnie monomer o wzorze:

R'

Ar “ C = CH₂ gdzie R' oznacza wodór lub metyl, Ar oznacza strukturę aromatyczną o 1 do 3 pierścieniach aromatycznych zawierających lub nie podstawnik alkilowy, halogenowy lub haloalkilowy, gdzie każda grupa alkilowa zawiera od 1 do 6 atomów węgla a grupa haloalkilowa oznacza grupę alkilową z podstawionym chlorowcem. Ar stanowi korzystnie fenyl lub alkilofenyl, gdzie określenie alkilofenyl odnosi się do grupy fenylowej z podstawioną grupą alkilową, przy czym fenyl jest najkorzystniejszy. Do typowych aromatycznych monomerów winylu, które mogą być zastosowane, należą: styren, alfa-metylostyren, wszystkie izomery winylotoluenu, zwłaszcza parawinylotoluen, wszystkie izomery etylowinylobenzenu, propylowinylobenzenu, winylobifenylu, winylonaftalenu, winyloantracenu oraz ich mieszanin. Aromatyczne monomery winylu mogą być także łączone z innymi monomerami zdolnymi do tworzenia kopolimerów. Do przykładów takich monomerów, nie ograniczając się do nich, należą monomery akrylowe, takie jak akrylonitryl, metakrylonitryl, kwas metakrylowy, metakrylan metylowy, kwas akryIowy oraz akrylan metylowy, maleimid, fenylomaleimid i bezwodnik maleinowy. Dodatkowo, polimeryzacja aromatycznego monomeru winylowego może być prowadzona w obecności rozpuszczonego wstępnie elastomeru, w celu wytworzenia modyfikowanych udarowo lub zawierających szczepiony kauczuk produktów, (przykłady opisane w publikacjach patentowych US 3 123 655, 3 346 520, 3 639 522 oraz 4 409 369). W szczególności polimerem tym może być wysokoudarowa żywica polistyrenowa.

Sposób według wynalazku może wykorzystywać mieszaniny lub kombinacje dowolnych wymienionych polimerów.

Środkiem porotwórczym przewidzianym do użycia w sposobie według wynalazku jest dowolny fizyczny środek porotwórczy, włączając w to, ale nie ograniczając do nich, dwutlenek węgla (CO2), azot (N2), woda (H2O) lub ich kombinacje. Dla celów opisu, fizyczne środki porotwórcze zdefiniowane są jako w 100 procentach fizyczne środki porotwórcze, przy braku jakiegokolwiek chemicznego środka porotwórczego, nawet pomimo tego, iż dany fizyczny środek porotwórczy może zawierać nieistotne zanieczyszczenia lub drobne ilości innych związków. Korzystnie, środkiem porotwórczym jest 100 procentowy dwutlenek węgla.

Fizyczny środek porotwórczy może mieć dowolną postać a korzystnie jest gazem lub cieczą. Dwutlenek węgla dodawany jest korzystnie do stopu polimerowego w postaci ciekłej, chociaż w wynalazku możliwe jest zastosowanie gazowego dwutlenku węgla. Azot dodawany jest korzystnie do stopu polimerowego w postaci gazowej a woda jest dodawana zwykle jako ciecz, chociaż dopuszczalna jest dowolna ich postać. Zazwyczaj w przypadkach kombinacji środków porotwórczych lub mieszanin wykorzystywane są oddzielne systemy pomiarowe, w których różne strumienie spotykają się ze sobą przed punktem wtrysku procesu odlewania - wytłaczania. Jednakże środki porotwórcze mogą być także domieszane uprzednio i wtryskiwane przy użyciu pojedynczego systemu pomiarowego.

PL 204 201 B1

W sposobie według wynalazku wykorzystywane mogą być również dodatki, takie jak barwniki i/lub środki nukleujące. Dodatek środka nukleującego jest w ogólności pożądany, a dodawany jest on korzystnie w ilości od 0,001 do 10 procent całkowitej masy polimeru. Bardziej korzystnie ilość środka nukleującego wynosi od 0,02 do 2 procent. Środek nukleujący dodawany jest zwykle wraz z polimerem w wytłaczarce. W jednym z przykładów wykonania środkiem nukleującym jest talk.

Sposób według wynalazku może także wykorzystywać wytłaczanie współbieżne do wytwarzania wielowarstwowych arkuszy spienionych. Takie wielowarstwowe arkusze, jeśli jest to pożądane, mogą zawierać jedną lub więcej spienionych warstw rdzeniowych lub spienionych warstw naskórkowych. W niektórych zastosowaniach moż e być pożądane posiadanie pewnej kombinacji jednej lub wię kszej liczby spienionych warstw rdzeniowych lub warstw naskórkowych wraz z nie spienionymi warstwami rdzeniowymi oraz warstwami naskórkowymi. Na przykład w jednym z przykładów wykonania, wielowarstwowy, wytłaczany współbieżnie arkusz zawiera polistyrenową warstwę rdzeniową, posiadającą zewnętrzne warstwy naskórkowe, składające się z nie spienionego polistyrenu wysokoudarowego lub nie spienionej mieszaniny żywicy polistyrenowej z wysokoudarową żywicą polistyrenową. Sposoby wytłaczania współbieżnego są dobrze znane w technice.

Wytłaczanie arkuszowe jest dobrze znane i opisane w pracy F. Hensen, Plastics Extrusion Technology, Hanser Publishers, Nowy Jork 1988, Rozdział 7, str. 203-251 oraz w Modern Plastics Mid-October 1989 Encyclopedia Issue, Tom 66, Nr 11, str. 256-257.

Sposób wytłaczania arkuszowego stosowany według wynalazku obejmuje etap doprowadzania i stapiania polimeru w wytłaczarce arkuszowej, gdzie stop wędruje do opcjonalnego bloku podającego i poprzez matrycę do utworzenia na wyjś ciu matrycy jednowarstwowego lub wielowarstwowego wyrobu wytłaczanego (arkusza) o równomiernej grubości. Temperatura spieniania w matrycy w sposobie według wynalazku zależna jest od rodzaju spienianego polimeru i zazwyczaj jest wyższa od 150°C, a korzystnie wynosi pomię dzy 170 a 300°C. Mieszanka polimeru i ś rodka porotwórczego jest wytł aczana i spieniana korzystnie w obszarze o niższym ciśnieniu niż ciśnienie atmosferyczne. Wytłoczony spieniony arkusz wciągany jest do wnętrza mechanizmu do wyciągania i prasowania spienionego wytłoku tak, aby uzyskać jednolitą grubość arkusza. Jeden z takich mechanizmów zawiera obrotowy trójbębnowy stos polerujący o kontrolowanej temperaturze. W tym przykładzie wykonania grubość arkusza określana jest przez szybkość wytłaczania, szczelinę między bębnami stosu, szybkość linii i współczynnik wyciągania. Szczelinę między bębnami stosu stanowi prześwit między górnym i ś rodkowym bębnem trójbębnowego stosu polerującego przy zastosowaniu konfiguracji stosu pionowego. Współczynnik wyciągania jest stosunkiem prędkości stopu na wyjściu matrycy do prędkości trójbębnowego stosu polerującego. Grubość arkusza monitorowana jest przez instrument zamontowany na wózku, który porusza się prostopadle do kierunku ruchu arkusza, unosząc instrument do badania grubości w poprzek arkusza. Instrumenty do badania grubości są dobrze znane w technice. Arkusz opuszcza stację badania grubości i przemieszcza się ponad szeregiem bębnów prowadzących do opcjonalnej stacji docinania oraz na nawijarkę lub bezpośrednio do formowania termicznego.

W sposobie według wynalazku istotne jest też to, ż e fizyczny ś rodek porotwórczy wprowadza się do stopu polimerowego w pewnym punkcie przed matrycą wytłaczarki arkusza. Korzystnie, środek porotwórczy wtryskuje się przez zawór jednokierunkowy, położony przy strefie dekompresji (otwór wentylacyjny) śruby wytłaczającej wewnątrz linii wytłaczania arkusza. Ewentualnie, przed matrycą ustawione może być statyczne mieszadło do mieszania polimeru z środkiem porotwórczym względnie środkami porotwórczymi i środkiem nukleującym, jeśli jest stosowany. Spienianie następuje w obszarze niższego ciśnienia, bezpośrednio przed wyjściem matrycy i trwa do momentu opuszczenia matrycy przez stopioną mieszankę polimerową. Do wytłaczania materiałów nie spienianych lub arkuszy z rozdmuchiwanych chemicznie pian o wysokiej gęstości wykorzystywane są zwykle procesy wytłaczania arkuszowego. Odkryto, że dzięki zastosowaniu fizycznego środka porotwórczego oraz opisanej linii do wytłaczania arkuszy, otrzymany może zostać spieniony arkusz o wysokiej gęstości, odznaczający się lepszą równomiernością grubości i gęstości.

Wytworzony arkusz piankowy ma zwykle gęstość w zakresie od 400 do 1050 g/l (od 25 do 65 funtów na stopę sześcienną (PCF)), korzystnie od 725 do 890 g/l (od 45 do 55 PCF) oraz zawiera od 0,04 do 1% wag., korzystnie od 0,04 do 0,5% wag. fizycznego środka porotwórczego w stosunku do masy polimeru. Należy zauważyć, że jeśli w sposobie według wynalazku stosowana jest woda w ilościach mniejszych niż 0,2% wag. w stosunku do masy polimeru, działa ona jak chłodziwo i nie przyczynia się do spulchnienia polimeru. Efekt chłodzenia jest korzystny dla kontroli szybkości pęcznienia piany. Przy ilościach wody większych niż 0,2% wag. obserwowana jest zwiększona ekspansja stopioPL 204 201 B1 nej mieszanki polimerowej. Wymiary komórek spienionego arkusza we wszystkich kierunkach są mniejsze niż 1 mm, a korzystnie mniejsze niż 0,5 mm. Grubość uzyskanego arkusza piankowego wynosi korzystnie od 0,1 mm do 3 mm.

Wytworzony arkusz piankowy posiada znacznie polepszoną równomierność grubości i gęstości. Równomierność grubości może zostać wyznaczona poprzez porównanie grubości ukończonego arkusza w dowolnym punkcie do średniej grubości tego arkusza. Obydwie grubości powinny różnić się przy porównaniu o mniej niż 6 procent. Równomierność gęstości może być określona poprzez porównanie gęstości ukończonego arkusza w dowolnym punkcie do średniej gęstości arkusza. Różnica między tymi dwiema gęstościami winna być mniejsza niż 4 procent. Innymi słowy, grubość zmierzona w dowolnym punkcie ukoń czonego arkusza nie róż ni się o więcej niż 6 procent od ś redniej grubości arkusza a gęstość zmierzona w dowolnym punkcie gotowego arkusza nie różni się o więcej niż 4 procent od średniej gęstości tego arkusza.

Wynalazek ilustrują przykłady wykonania, które nie ograniczają zakresu wynalazku i nie powinny być tak interpretowane. Ilości podano w procentach wagowych, o ile nie zaznaczono inaczej.

P r z y k ł a d y

P r z y k ł a d 1

Żywica polistyrenowa ogólnego przeznaczenia o masie cząsteczkowej 320 000 doprowadzana jest do linii do współbieżnego wytłaczania arkuszy, posiadającej wysokociśnieniową pompę tłokową w miejscu położenia otworu wentylacyjnego, w której do bębna wytłaczarki odmierzane jest 100 procent dwutlenku węgla w charakterze środka porotwórczego. Koniec wytłaczarki wyposażony jest także w statyczne mieszadła, służące lepszemu wymieszaniu mieszanki polimeru i środka porotwórczego. Jednocześnie do innej linii do wytłaczania arkuszy, nie zawierającej środka porotwórczego, doprowadzana jest mieszanina w stosunku 50/50 żywicy polistyrenowej i żywicy polistyrenowej modyfikowanej udarowo, w celu wytworzenia wytłaczanych współbieżnie stałych warstw naskórkowych. Żywica polistyrenowa jest spieniana i wytłaczana współbieżnie razem z mieszaniną nie spienianego polistyrenu i HIPS, w celu utworzenia arkusza, zawierającego spienioną żywicę rdzenia z dwiema stałymi warstwami naskórkowymi po obydwu stronach warstwy żywicy rdzenia. Arkusz ten jest wyciągany i prasowany przez trójbębnowy stos polerujący. Parametry sposobu i właściwości arkusza podano poniżej:

Parametr	Wartość
CO2, (procenty wagowe)q	0,1
środek nukleujący (talk, ppm)	1000
Temperatura spieniania, (°C)	200
Gęstość rdzenia arkusza, (g/cm³)	0,62
Całkowita gęstość arkusza, (g/cm³)	0,83
Całkowita grubość arkusza, (mm)	1,4
Całkowita redukcja masy arkusza, (procenty)	20
grubość pojedynczej warstwy naskórka, (mm)	0,35

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania termoplastycznego arkusza piankowego, znamienny tym, że doprowadza się aromatyczną żywicę polimerową z jednostkami monomeru o wzorze

R'

Ar “ C = CH₂ gdzie R' oznacza wodór lub metyl, Ar oznacza pierścieniowy układ aromatyczny mający od 1 do 3 pierścieni aromatycznych z lub bez podstawnika alkilowego, halogenowego lub haloalkilowego, gdzie każda grupa alkilowa zawiera od 1 do 6 atomów węgla, a haloalkil odnosi się do grupy alkilowej

PL 204 201 B1 z podstawionym fluorowcem albo olefinową żywicę polimerową taką jak polietylen, polipropylen, liniowy polietylen o niskiej gęstości, polietylen o wysokiej gęstości, kopolimery olefinowe takie jak kopolimery etylen-oktylen, do wytłaczarki linii wytłaczania arkusza, następnie topi się żywicę, pompuje się środek porotwórczy do stopionej żywicy polimerowej, po czym miesza się środek porotwórczy ze stopioną żywicą polimerową dla utworzenia mieszaniny polimer/środek porotwórczy w temperaturze, co najmniej 150°C, korzystnie między 170°C a 300°C, wytłacza się mieszaninę z dyszy płaskiego arkusza do obszaru niższego ciśnienia, formując spieniony wyrób wytłaczany i końcowo wyciąga się i ściska spieniony wyrób wytłaczany formując piankowy arkusz o równomiernej grubości, która różni się w dowolnym punkcie od średniej gruboś ci arkusza o mniej niż 6% i wynosi, co najmniej 0,1 mm ale mnie niż 3 mm.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stopiony aromatyczny polimer monowinylowy.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się stopiony aromatyczny polimer monowinylowy zawierający aromatyczny polimer winylowy.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stopiony polimer olefinowy.
5. Sposób wedł ug zastrz. 4, znamienny tym, ż e stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polietylen, polipropylen, liniowy polietylen o niskiej gęstości, polietylen o niskiej gęstości, polietylen o wysokiej gęstości, kopolimer etylenu-oktylenu lub olefinowy kopolimer lub interpolimer, posiadający przynajmniej 70% wagowych aromatycznego monomeru winylowego, włączonego do żywicy finalnej w postaci powtarzalnych jednostek monomerowych.
6. Sposób wedł ug zastrz. 5, znamienny tym, ż e stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polipropylen.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, ż e stosuje się stopiony polimer olefinowy zawierający polietylen.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e jako fizyczny środek porotwórczy stosuje się dwutlenek węgla, azot, wodę lub ich kombinację.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się arkusz piankowy o gęstości piany wynoszącej od 400 do 1050 g/l.
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wytwarza się arkusz piankowy o gęstości piany wynoszącej od 725 do 890 g/l.